(Phys.org) —Två forskarutbildade forskare vid teknikhögskolan har odlat några av världens minsta metalliska nanoroder; ett betydande vetenskapligt genombrott som deras fakultetsrådgivare säger är ett bevis på UConn's robusta forskarutbildningsprogram.

Arbetar under ledning av professor Hanchen Huang, postdoktor Xiaobin Niu och doktorand kandidaten Stephen Stagon bröt ny mark när de utvecklade det teoretiska ramverket för metallisk nanorodtillväxt med hjälp av en process som kallas fysisk ångavsättning.

Forskarna använde sedan den kunskapen för att framgångsrikt odla ädelmetall-nanoroder med en diameter på 10 nanometer, som är de minsta som någonsin registrerats med hjälp av fysisk ångavsättning. Resultaten publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev , världens främsta fysiktidskrift.

"Detta öppnar verkligen dörren för en mängd tekniker, "säger Huang, UConn's Connecticut Clean Energy Fund Professor i hållbar energi och studiens seniorförfattare. "Utan det teoretiska ramverket, vi skulle inte ha kunnat göra dessa små nanoroder eftersom vi inte hade någon vetenskaplig vägledning. Denna kunskap bör ha en stor teknisk inverkan inom elektronik, energi, och tillverkning. "

Ädelmetall-nanoroder-nanoroder tillverkade av metaller som är resistenta mot korrosion och oxidation-kan användas inom mikroelektronik, driver allt från solceller till mobiltelefoner. Tidigare, minimidiametern på metalliska nanoroder var teoretiskt okänd, så det fanns inget tydligt mål för experiment och ingen insikt om hur man ska närma sig målet. Medan vissa forskare har odlat metalliska nanoroder mindre än 50 nanometer i diameter, deras framgång var till stor del baserad på slumpar, observation, och anekdotiska bevis. Det uppstod problem med att på ett tillförlitligt sätt kopiera processen för olika material, och stavarna smälte ofta ihop och blev en film när deras diametrar krympt nära 10 nanometerintervallet.

Att utveckla en sluten teori för metallisk nanorodtillväxt är kulmen på 10 års arbete för Huang, som kontinuerligt har fått stöd av forskningsbidrag från U.S. Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences Core -program. De förnybara bidragen är utformade för att stödja grundläggande forskning som hjälper forskare att bättre förstå, förutspå, och i slutändan kontrollera materia och energi på elektroniken, atom, och molekylära nivåer.

Niu tillbringade mer än ett år att fastställa de vetenskapliga egenskaperna för nanorodernas tillväxt genom matematisk formulering och beräkningsmodellering, noggrant skiktatomer på atomer för att se vilken process som fungerade bäst. Stagon, under tiden, genomförde medföljande valideringsexperiment vid UConn, liksom vid Center for Integrated Nanotechnologies vid Los Alamos National Laboratory.

Ett viktigt ögonblick kom när teamet upptäckte att en länge klassisk teori för nanorodtillväxt var bristfällig. Teorin hävdade att endast ettskiktiga ytsteg var stabila, och flera lager ytsteg var inte, vilket leder till omöjligheten av extremt liten nanorodtillväxt inom den tidigare teorin. Men Huang, Niu, och Stagon fann precis motsatsen, att flerskiktsytesteg är kinetiskt stabila, och de dikterar hur efterföljande lager av adatomer positionerar sig-en nyckelutveckling för att producera ädelmetallnanoroder med en diameter på 10 nanometer eller mindre.

Genom att ändra andra tillväxtförhållanden, såsom typen av substrat, avsättningsvinkeln, och temperaturen som används i processen, forskargruppen lyckades odla nanoroder som var cirka 10 nanometer i diameter och tydligt separerade från varandra, en annan viktig egenskap som hjälper till att möjliggöra deras prestanda.

"När du producerar metalliska nanoroder med 10 nanometer i diameter eller mindre, nanoeffekter tar över och du börjar dra nytta av de nanoskalaegenskaper som alla skriver om och pratar om, säger Stagon, en infödd i Connecticut som var en av de bästa studenterna i sin UConn -maskinteknik när han tog examen 2009. Stagon är också mottagare av en prestigefylld federal assistans inom områden med nationellt behov (GAANN), som delvis stödde hans nanorodforskning.

Mindre är alltid bättre när det gäller metalliska nanoroder, Säger Huang. Ädelmetaller genomgår grundläggande förändringar med en skala på 10 nanometer.

"När vi tänker på guld, vi ser att dess färg är guld, "Säger Huang." Men när du går under 10 nanometer i diameter, du börjar se lila guld, blått guld, grönt guld, och alla möjliga färger. När du går under 10 nanometer, elementet blir också kemiskt reaktivt. Dess egenskaper ändras. Du kan börja kontrollera dess elektriska konduktivitet. "

Att ha nanoroder som är tydligt separerade är också viktigt. Säger Huang. När stavarna är tätt sammanfogade, det är svårt att lägga till något individuellt. Men om de är väl separerade, du kan sätta en ring eller en beläggning på dem, ytterligare förbättra deras egenskaper och potential.

"Detta var något som inte var möjligt förut, "Säger Huang." Med upptäckten, våra kollegor kan nu belägga billigare nanoroder med en mycket dyr katalysator för sådant som avancerad bränslecellsteknik. Det här är väldigt spännande. "

Max G. Lagally, Erwin W. Mueller professor och Bascom professor i ytvetenskap vid University of Wisconsin-Madison, säger Huangs arbete med metalliska nanostrukturer har avancerade forskares förståelse av tillväxtprocessen.

"Hanchen har ägnat mycket av sina ansträngningar under de senaste tio åren för att förstå på atomistisk nivå tillväxten av metalliska nanostrukturer, och har visat hur, särskilt, steg förmedlar tillväxten ..., "säger Lagally." Professor Huang har tagit dessa begrepp ett steg längre här för att visa hur förekomsten av steg kan användas för att kontrollera storleken på nanoroder, i synnerhet hur man gör dem extremt tunna. Arbetet är fascinerande och vilar på sunda teoretiska principer. "

Forskargruppens främsta mål var att definiera det vetenskapliga ramverket bakom metallisk nanorodtillväxt och visa, teoretiskt sett, hur mycket tunna nanoroder skulle kunna odlas. Faktiskt växande klart separerade nanoroder med 10 nanometer i diameter var en extra belöning - och en som de nästan missade.

En av egendomarna med att arbeta med nanoroder i en nivå av 10 nanometer i diameter är att du knappt kan se dem under de flesta mikroskop. Också, när de guldnanoroder som nämns i studien först gjordes, de såg gröna ut. När Stagon placerade materialet under ett svepelektronmikroskop för att få en bättre bild, först såg han bara ett grått fält.

"Det testar verkligen upplösningsgränsen för alla skanningelektronmikroskop, "Säger Stagon." Lyckligtvis Mikroskopet vid UConn's Center for Clean Energy Engineering är bland de bästa. "

Stagon säger att erfarenheten har lärt honom att fullt ut uppskatta fördelarna med grundläggande ingenjörsvetenskap och hur viktigt det är för att främja teknik och industri. Hans långsiktiga mål är att vara professor så att han kan vidarebefordra kärnvetenskapens betydelse till andra spirande ingenjörer.

Niu säger att projektet är "det viktigaste och mest spännande arbetet" han någonsin gjort.

"Det finns många härledningar inom matematik, säger Niu, som nyligen befordrades till biträdande forskningsprofessor. "När du äntligen hittar ekvationen, när du tittar på det och det är så enkelt och vackert, och sedan gör du simuleringar och resultaten speglar ekvationen, Jag kan inte beskriva hur glad det får dig att känna dig. "

Huang säger att Stagons och Nius framgångar speglar UConn och dess högre fakultets engagemang för att rekrytera och stödja högklassiga doktorander och postdoktorala forskare. Federal tjänstemän har erkänt styrkan i UConn's forskarutbildningsprogram genom att utfärda 13 GAANN -bidrag till UConn -doktorander under de senaste sju åren.

"Vi ägnar stor uppmärksamhet åt vår forskarutbildning och postdoktorer, "Tillägger Huang." Inte bara lyckas vi med att attrahera extremt begåvade amerikanska och internationella studenter, Vi är också mycket framgångsrika i att behålla dem genom prestigefyllda stipendier och andra stöd. De är avgörande för både vår forskningssuccé och vårt universitetsuppdrag, för vi är trots allt en utbildningsinstitution och vårt uppdrag är att skapa en miljö för nästa generations ingenjörer och förbereda dem för deras framtida karriärer. "