(PhysOrg.com) -- Forskare har inga problem att göra ett menageri av nanometerstora föremål -- ledningar, rör, bälten, och även trädliknande strukturer. Vad de ibland inte har kunnat göra är att förklara exakt hur dessa föremål bildas i ång- och vätskegrytorna där de tillverkas.

Nu är ett team ledd av University of Wisconsin-Madison kemisten Song Jin, skriver den här veckan (23 april, 2010) i tidskriften Vetenskap , visar att en enkel kristalldefekt känd som en "skruvförskjutning" driver tillväxten av ihåliga zinkoxidnanorör bara några miljondelar av en centimeter tjocka.

Fyndet är viktigt eftersom det ger ny insikt i de processer som styr bildandet av de minsta tillverkade strukturerna, en betydande utmaning inom nanovetenskap och nanoteknik. "Vi tror att detta arbete ger ett allmänt teoretiskt ramverk för att kontrollera tillväxten av nanotråd eller nanorör utan att använda metallkatalysatorer som kan vara allmänt applicerbara på många material, säger Jin, en UW-Madison professor i kemi.

Sådana material och de lilliputska strukturer som forskare skulpterar har redan hittat breda tillämpningar inom sådant som elektronik, solkraft, batteri- och laserteknik, och kemisk och biologisk avkänning. Genom att ytterligare utöka teorin om hur de små strukturerna bildas, det borde nu vara möjligt för forskare att utveckla nya metoder för att massproducera föremål i nanostorlek med en mängd olika material.

Metoden som beskrivs av Jin och hans kollegor beror på vad forskarna kallar en skruvförskjutning. Dislokationer är grundläggande för tillväxten och egenskaperna hos alla kristallina material. Som deras namn antyder, dessa defekter leder till skapandet av spiralsteg på en annars felfri kristallyta. När atomer tänds på kristallytan, de bildar en struktur som till utseendet påfallande liknar spiralramperna för parkeringskonstruktioner med flera våningar. I tidigare arbeten, Jin och hans forskargrupp visade att skruvdislokationer driver tillväxten av endimensionella nanotrådsstrukturer som såg ut som små tallar. Den där, säger Jin, var en viktig ledtråd för att förstå kinetiken för spontan tillväxt av nanorör.

Nyckeln till att förstå hur man kan utnyttja defekten för att göra nanostrukturer på ett rationellt sätt, Jin förklarar, är att veta att när atomer samlas på en yta av en dislokationsspiral, påfrestningar associerade med skruvförskjutningar byggs upp i de små strukturerna de skapar.

Det visar sig att "att göra strukturen ihålig och få den att vrida sig är två bra sätt att lindra sådan påfrestning och stress, " Jin förklarar. "I vissa fall, den stora skruvdislokationstöjningsenergin som finns i nanomaterialet dikterar att materialet urholkar sitt centrum runt dislokationen, vilket resulterar i spontan bildning av nanorör."

Fenomenet som beskrivs i det nya Wisconsin-arbetet skiljer sig på betydande sätt från traditionella mekanismer för att göra ihåliga nanostrukturer. Forskare använder nu mallar för att "forma" nanorör eller, alternativt, en diffusionsprocess för att omvandla ett material till ett annat med en ihålig kärna. Kolnanorör tillverkas, väsentligen, genom att rulla upp ett enda bikakemönstrat lager av kolatomer.

Fenomenet som beskrivs av Wisconsin-teamet, Jin tillägger, bör gälla material utöver zinkoxid:"Förståelsen av bildandet av nanorör kommer säkerligen att hjälpa oss att förstå relaterade fenomen i andra material."

Raffinerad, den nya kunskapen skulle i slutändan kunna omvandlas till stor skala, lågkostnadsproduktion av nanomaterial för ett brett spektrum av applikationer. Mest lovande, säger Jin, är området för förnybar energi där stora mängder sådant material kan användas för att omvandla solljus till elektricitet, och tillhandahålla nya råvaror för batterielektroder och termoelektriska enheter.