Nanotrådar och nanorör, smala strukturer som bara är några miljarddels meter i diameter men många tusen eller miljoner gånger längre, har blivit heta material de senaste åren. De finns i många former — gjorda av metaller, halvledare, isolatorer och organiska föreningar – och studeras för användning inom elektronik, energiomvandling, optik och kemisk avkänning, bland andra områden.

Den första upptäckten av kolnanorör - små rör av rent kol, huvudsakligen ark av grafen rullade upp till en cylinder – krediteras i allmänhet till ett dokument som publicerades 1991 av den japanske fysikern Sumio Ijima (även om vissa former av kolnanorör hade observerats tidigare). Nästan omedelbart, det var en explosion av intresse för denna exotiska form av ett vardagligt material. Nanotrådar - fasta kristallina fibrer, snarare än ihåliga rör – fick liknande framträdande några år senare.

På grund av deras extrema smalhet, både nanorör och nanotrådar är i huvudsak endimensionella. "De är kvasi-endimensionella material, " säger MIT docent i materialvetenskap och ingenjörskonst Silvija Gradečak:"Två av deras dimensioner är på nanometerskalan." Denna endimensionalitet ger distinkta elektriska och optiska egenskaper.

För en sak, det betyder att elektronerna och fotonerna i dessa nanotrådar upplever "kvantinneslutningseffekter, " säger Gradečak. Och ändå, till skillnad från andra material som producerar sådana kvanteffekter, som kvantprickar, nanotrådarnas längd gör det möjligt för dem att ansluta till andra makroskopiska enheter och omvärlden.

Strukturen på en nanotråd är så enkel att det inte finns plats för defekter, och elektroner passerar obehindrat, Gradečak förklarar. Detta kringgår ett stort problem med typiska kristallina halvledare, som de som är gjorda av en kiselskiva:Det finns alltid defekter i dessa strukturer, och dessa defekter stör passagen av elektroner.

Tillverkad av en mängd olika material, nanotrådar kan "odlas" på många olika substrat genom en ångavsättningsprocess. Små pärlor av smält guld eller andra metaller avsätts på en yta; nanotrådsmaterialet, i ånga, absorberas sedan av det smälta guldet, slutligen växer från botten av den pärlan som en mager kolumn av materialet. Genom att välja storleken på metallpärlan, det är möjligt att exakt kontrollera storleken på den resulterande nanotråden.

Dessutom, material som vanligtvis inte blandas lätt kan odlas ihop i nanotrådform. Till exempel, lager av kisel och germanium, två mycket använda halvledare, "är väldigt svåra att växa ihop i tunna filmer, " säger Gradečak. "Men i nanotrådar, de kan odlas utan problem." Dessutom, utrustningen som behövs för denna typ av ångavsättning används i stor utsträckning inom halvledarindustrin, och kan enkelt anpassas för produktion av nanotrådar.

Även om nanotrådarnas och nanorörens diametrar är försumbara, deras längd kan sträcka sig över hundratals mikrometer, även nå längder som är synliga för blotta ögat. Inget annat känt material kan producera så extrema längd-till-diameter-förhållanden:miljoner gånger längre än de är breda.

På grund av detta, trådarna har ett extremt högt förhållande mellan ytarea och volym. Det gör dem väldigt bra som detektorer, eftersom all den ytan kan behandlas för att binda med specifika kemiska eller biologiska molekyler. Den elektriska signalen som genereras av den bindningen kan sedan enkelt överföras längs tråden.

Liknande, nanotrådarnas form kan användas för att producera smalstrålande lasrar eller ljusemitterande dioder (LED), säger Gradečak. Dessa små ljuskällor kan en dag hitta tillämpningar inom fotoniska chips, till exempel — chip där information bärs av ljus, istället för de elektriska laddningarna som vidarebefordrar information i dagens elektronik.

Jämfört med solida nanotrådar, nanorör har en mer komplex struktur:i huvudsak enatomtjocka ark av rent kol, med atomerna ordnade i ett mönster som liknar hönsnät. De beter sig på många sätt som endimensionella material, men är faktiskt ihåliga rör, som en lång, nanometerskala sugrör.

Kolnanorörens egenskaper kan variera mycket beroende på hur de rullas ihop, en egenskap som kallas kiralitet. (Det liknar skillnaden mellan att forma ett pappersrör genom att rulla ett pappersark på längden mot diagonalen:De olika inriktningarna av fibrer i papperet ger olika styrka i de resulterande rören.) När det gäller kolnanorör, kiralitet kan avgöra om rören beter sig som metaller eller som halvledare.

Men till skillnad från den exakta tillverkningskontrollen som är möjlig med nanotrådar, hittills producerar metoder för att tillverka nanorör en slumpmässig blandning av typer, som måste sorteras för att kunna använda ett visst slag. Förutom enkelväggiga nanorör, de finns också i dubbelväggiga och flerväggiga former.

Förutom deras användbara elektroniska och optiska egenskaper, kolnanorör är exceptionellt starka, och används som förstärkningsfibrer i avancerade kompositmaterial. "I alla applikationer där endimensionalitet är viktigt, både kolnanorör och nanotrådar skulle ge fördelar, " säger Gradečak.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.