Elektronik blir mindre och mindre, flirta med nya enheter på atomär skala. Dock, många forskare förutspår att krympningen av vår teknologi håller på att nå ett slut. Utan ett alternativ till kiselbaserad teknik, miniatyriseringen av vår elektronik kommer att upphöra. Ett lovande alternativ är grafen - det tunnaste materialet som människan känner till. Ren grafen är inte en halvledare, men det kan ändras för att visa exceptionellt elektriskt beteende. Att hitta de bästa grafenbaserade nanomaterialen kan inleda en ny era av nanoelektronik, optik, och spintronics (en framväxande teknologi som använder elektronernas spinn för att lagra och bearbeta information i exceptionellt liten elektronik).

Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har använt kapaciteten hos en av världens mest kraftfulla universitetsbaserade superdatorer, Rensselaer Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), för att avslöja egenskaperna hos en lovande form av grafen, känd som grafen nanowiggles. Vad de fann var att grafitiska nanoband kan segmenteras i flera olika ytstrukturer som kallas nanowiggles. Var och en av dessa strukturer producerar mycket olika magnetiska och ledande egenskaper. Resultaten ger en ritning som forskare kan använda för att bokstavligen välja och vraka en grafen nanostruktur som är avstämd och anpassad för en annan uppgift eller enhet. Arbetet ger en viktig kunskapsbas om dessa mycket användbara nanomaterial.

Resultaten publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev i ett papper med titeln "Uppkomsten av atypiska egenskaper i sammansatta grafennannorribbons."

"Grafen nanomaterial har många fina egenskaper, men hittills har det varit mycket svårt att bygga defektfria grafennanostrukturer. Så dessa svåråterskapliga nanostrukturer skapade en nästan oöverstiglig barriär mellan innovation och marknad, sa Vincent Meunier, Gail och Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation professor i fysik, Informationsteknologi, och Entreprenörskap på Rensselaer. "Fördelen med grafen nanowiggles är att de enkelt och snabbt kan produceras mycket långa och rena." Nanowiggles upptäcktes först nyligen av en grupp ledd av forskare vid EMPA, Schweiz. Dessa speciella nanorband bildas med hjälp av en bottom-up-metod, eftersom de är kemiskt sammansatta atom för atom. Detta representerar ett mycket annorlunda tillvägagångssätt till den standardiserade grafenmaterialdesignprocessen som tar ett befintligt material och försöker skära det till en ny struktur. Processen skapar ofta ett material som inte är helt rakt, men har små sicksackar på kanterna.

Meunier och hans forskargrupp såg potentialen i detta nya material. Nanowiggles kan lätt tillverkas och modifieras för att visa exceptionella elektriska ledande egenskaper. Meunier och hans team satte genast igång arbetet med att dissekera nanoviklarna för att bättre förstå möjliga framtida tillämpningar.

"Det vi hittade i vår analys av nanowiggles egenskaper var ännu mer överraskande än vad vi tidigare trott, sa Meunier.

Forskarna använde beräkningsanalys för att studera flera olika nanowigglestrukturer. Strukturerna är namngivna baserat på formen på deras kanter och inkluderar fåtölj, fåtölj/sicksack, sicksack, och sicksack/fåtölj. Alla strukturer med nanobandskanter har ett vickande utseende som en larv som smyger sig över ett löv. Meunier döpte de fyra strukturerna till nanowiggles och varje vickning gav exceptionellt olika egenskaper.

De fann att de olika nanowigglarna producerade mycket varierande bandgap. Ett bandgap bestämmer nivåerna av elektrisk ledningsförmåga hos ett fast material. De fann också att olika nanowigglar uppvisade upp till fem mycket varierande magnetiska egenskaper. Med denna kunskap, forskare kommer att kunna ställa in bandgapet och magnetiska egenskaper hos en nanostruktur baserat på deras tillämpning, enligt Meunier.

Meunier vill att forskningen ska ge information om utformningen av nya och bättre enheter. "Vi har skapat en färdplan som gör det möjligt för nanomaterial att enkelt byggas och anpassas för applikationer från solceller till halvledare och, viktigt, spintronik, " han sa.

Genom att använda CCNI, Meunier kunde genomföra dessa sofistikerade beräkningar på några månader.

"Utan CCNI, dessa beräkningar skulle fortfarande fortsätta ett år senare och vi skulle ännu inte ha gjort denna spännande upptäckt. Helt klart är denna forskning ett utmärkt exempel som illustrerar CCNIs nyckelroll i förutsägande grundläggande vetenskap, " han sa.