Tack vare lite serendipity, forskare vid Rice University har skapat en liten koaxialkabel som är ungefär tusen gånger mindre än ett människohår och har högre kapacitans än tidigare rapporterade mikrokondensatorer.

Det nanocable, som beskrivs denna vecka i Naturkommunikation , producerades med tekniker banbrytande inom det begynnande grafenforskningsfältet och kunde användas för att bygga nästa generations energilagringssystem. Det kan också användas för att koppla ihop komponenter i lab-on-a-chip-processorer, men dess upptäckt beror delvis på slumpen.

"Vi förväntade oss inte att skapa det här när vi började, " sa studiens medförfattare Jun Lou, docent i maskinteknik och materialvetenskap vid Rice. "I början, Vi var bara nyfikna på att se vad som skulle hända elektriskt och mekaniskt om vi tog små koppartrådar som kallas sammankopplingar och täckte dem med ett tunt lager kol. "

Den lilla koaxialkabeln är anmärkningsvärt lik de som bär kabel-tv-signaler till miljontals hem och kontor. Hjärtat i kabeln är en solid koppartråd som omges av en tunn mantel av isolerande kopparoxid. Ett tredje lager, en annan dirigent, omger det. När det gäller TV -kablar, det tredje lagret är koppar igen, men i nanokabeln är det ett tunt lager kol som bara är några få atomer tjockt. Coax nanokabeln är cirka 100 nanometer, eller 100 miljarddelar av en meter, bred.

Medan koaxialkabeln är en stöttepelare i bredbandstelekommunikation, trelagret, metall-isolator-metallstruktur kan också användas för att bygga energilagringsenheter som kallas kondensatorer. Till skillnad från batterier, som är beroende av kemiska reaktioner för både lagring och leverans av el, kondensatorer använder elektriska fält. En kondensator innehåller två elektriska ledare, den ena negativ och den andra positiv, som är åtskilda av ett tunt lager av isolering. Att separera de motsatt laddade ledarna skapar en elektrisk potential, och att potentialen ökar när de separerade laddningarna ökar och när avståndet mellan dem – upptaget av det isolerande lagret – minskar. Proportionen mellan laddningstätheten och separeringsavståndet kallas kapacitans, och det är standardmåttet på effektiviteten hos en kondensator.

Studien rapporterar att kapacitansen hos nanokabeln är minst 10 gånger större än vad som skulle förutsägas med klassisk elektrostatik.

"Ökningen beror troligen på kvanteffekter som uppstår på grund av kabelns ringa storlek, " sade studiens medförfattare Pulickel Ajayan, Rice's Benjamin M. och Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik och materialvetenskap.

Lous och Ajayans laboratorier är var och en specialiserade på att tillverka och studera nanoskala material och nanoenheter som uppvisar dessa typer av spännande kvanteffekter, men Ajayan och Lou sa att det fanns ett inslag av slump i upptäckten av nanokabeln.

När projektet startade för 18 månader sedan, Ris postdoktor Zheng Liu, den ledande medförfattaren till studien, avsedd att göra rena koppartrådar täckta med kol. Teknikerna för att tillverka trådarna, som bara är några nanometer breda, är väletablerade eftersom ledningarna ofta används som "sammankopplingar" i toppmodern elektronik. Liu använde en teknik som kallas kemisk ångavsättning (CVD) för att täcka trådarna med en tunn beläggning av kol. CVD-tekniken används också för att odla ark av enatomtjockt kol som kallas grafen på filmer av koppar.

"När människor gör grafen, de brukar vilja studera grafen och de är inte särskilt intresserade av koppar, "Sa Lou. "Det har bara använts en plattform för att göra grafen."

När Liu körde några elektroniska tester på sina första prover, resultaten var långt ifrån vad han förväntade sig.

"Vi fann så småningom att ett tunt lager av kopparoxid - som tjänas som ett dielektriskt lager - bildades mellan koppar och kol, "sa Liu.

Efter att ha undersökt andra studier närmare, laget fann att några andra forskare hade nämnt oxidation som inträffade på kopparsubstraten under grafenproduktion.

"Det är ganska väldokumenterat, men vi kunde inte hitta någon som hade gjort en detaljerad undersökning av de elektroniska egenskaperna hos sådana komplexa gränssnitt, " sa Ajayan.

Kapacitansen för den nya nanokabeln är upp till 143 mikrofarad per kvadratcentimeter, bättre än de bästa tidigare resultaten från mikrokondensatorer.

Lou sa att det kan vara möjligt att bygga en storskalig energilagringsenhet genom att arrangera miljontals av de små nanokablarna sida vid sida i stora uppsättningar.

"Nanokabeln kan också användas som en transmissionsledning för radiofrekvenssignaler i nanoskala, " Sa Liu. "Detta kan vara användbart som en grundläggande byggsten i mikro- och nanostora elektromekaniska system som lab-on-a-chip-enheter."