Ett team av ingenjörer från University of Pennsylvania har förvandlat enkla nanotrådar till omkonfigurerbara material och kretsar, demonstrerar en roman, självmonterande metod för att kemiskt skapa strukturer i nanoskala som inte är möjliga att odla eller erhålla på annat sätt.

Forskargruppen, använder endast kemiska reaktanter, omvandlat halvledande nanotrådar till en mängd användbara, material i nanoskala inklusive metallremsor i nanoskala med periodiska ränder och halvledande mönster, rent metalliska nanotrådar, radiella heterostrukturer och ihåliga halvledande nanorör förutom andra morfologier och kompositioner.

Forskare använde jonbyte, en av de två vanligaste teknikerna för fastfastransformation av nanostrukturer. Jon (katjon/anjon) bytesreaktioner utbyter positiva eller negativa joner och har använts för att modifiera den kemiska sammansättningen av oorganiska nanokristaller, samt skapa halvledarsupergitterstrukturer. Det är den kemiska processen, till exempel, som gör hårt vatten mjukt i många amerikanska hushåll.

Framtida tillämpningar av nanomaterial inom elektronik, katalys, fotonik och bionanoteknik driver utforskningen av syntetiska metoder för att kontrollera och manipulera den kemiska sammansättningen, struktur och morfologi hos dessa material. För att förverkliga sin fulla potential, det är önskvärt att utveckla tekniker som kan omvandla nanotrådar till avstämbara men exakt kontrollerade morfologier, speciellt i gasfasen, för att vara kompatibel med nanotrådstillväxtsystem. Församlingen, dock, är en dyr och arbetskrävande process som förbjuder kostnadseffektiv produktion av dessa material.

Ny forskning inom området har möjliggjort omvandlingen av nanomaterial via fastfaskemiska reaktioner till icke-jämvikt, eller funktionella strukturer som inte kan erhållas på annat sätt.

I den här studien, forskare omvandlade enkristallina kadmiumsulfidnanotrådar till kompositionskontrollerade nanotrådar, kärn-skal heterostrukturer, metall-halvledare supergitter, enkristallina nanorör och metalliska nanotrådar genom att använda storleksberoende katjonbytesreaktioner tillsammans med temperatur- och gasfasreaktantleveranskontroll. Denna mångsidiga, syntetisk förmåga att transformera nanotrådar erbjuder nya möjligheter att studera storleksberoende fenomen i nanoskala och ställa in deras kemiska/fysikaliska egenskaper för att designa omkonfigurerbara kretsar.

Forskare fann också att hastigheten på katjonbytesprocessen bestämdes av storleken på startnanotråden och att processtemperaturen påverkade slutprodukten, lägga till ny information till de förhållanden som påverkar reaktionshastigheter och montering.

"Det här är nästan som magi att en enkomponent halvledarnanostruktur omvandlas till binärt supergitter av metall-halvledare, ett helt ihåligt men enkristallint nanorör och till och med ett rent metalliskt material, " sa Ritesh Agarwal, biträdande professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Penn. "Det viktiga här är att dessa omvandlingar inte kan ske i bulkmaterial där reaktionshastigheterna är otroligt långsamma eller i mycket små nanokristaller där hastigheterna är för snabba för att kunna kontrolleras exakt. Dessa unika omvandlingar äger rum vid 5-200 nanometers längd skalor där hastigheterna kan kontrolleras mycket exakt för att möjliggöra sådana spännande produkter. Nu arbetar vi med teoretiker och designar nya experiment för att reda ut denna "magi" på nanoskala."

Den grundläggande uppenbarelsen i denna studie är ett ytterligare förtydligande av kemiska fenomen i nanoskala. Studien ger också nya data om hur tillverkare kan montera dessa små kretsar, elektriskt förbindande strukturer i nanoskala genom kemisk självmontering.

Det öppnar också för nya möjligheter för omvandlingen av material i nanoskala till framtidens verktyg och kretsar, till exempel, självmonterande elektriska kontakter i nanoskala till enskilda komponenter i nanoskala, mindre elektroniska och fotoniska enheter såsom en serie elektriskt anslutna kvantpunkter för lysdioder eller transistorer, samt förbättrad lagringskapacitet för batterier.

Mer information: Studien har publicerats i det aktuella numret av tidskriften Nanobokstäver .

Källa:University of Pennsylvania (nyheter:webb)