(Phys.org) — Nästa genombrott inom högeffektiv batteriteknologi och solceller kan mycket väl vara nanoskopiska kristaller av kisel sammansatta som skyskrapor på wafer-skala substrat. En viktig väg för tillväxt av dessa nanoskala "morrhår" - eller nanotrådar - involverar legerade metalldroppar.

Moneesh Upmanyu, en docent vid institutionen för maskin- och industriteknik, har använt beräkningsverktyg för att förstå interaktionerna i atomär skala mellan dessa droppar och tillväxten av nanotrådar.

"Droppen kan multitaska på flera nivåer, och det är det fina med denna tillväxtteknik, "sa Upmanyu." Det katalyserar och absorberar sedan den växande arten från den omgivande ångan, blir mättad, och leder så småningom kärnbildningen av den växande nanotråden, inte olikt en jet som lämnar en kristallin nanotråd i dess kölvatten."

Tekniken utvecklades för decennier sedan för odling av kisel "morrhår" som använde en droppe flytande metall för att lura förångade kiselpartiklar till stelning som morrhår. Den syntetiska vägen används nu i stor utsträckning för att odla nanotrådar för en mängd olika tekniskt viktiga material.

"Droppen ger i slutändan absolut kontroll över tillväxtformen, men ingen visste exakt hur den skulpterar nanotrådarna till specifika former och storlekar, sa Hailong Wang, en tidigare postdoktorand inom Upmanyus grupp och den första författaren på ett nyligen publicerat papper om denna forskning i tidskriften Naturkommunikation . Studien utfördes i samarbete med forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory och Colorado School of Mines.

"Det fanns ingen förståelse på atomär skala, mestadels antaganden, " lade Upmanyu till." Att avslöja dem är avgörande eftersom det tillåter oss att kontrollera tillväxtformen och, som är fallet i dessa små skalor, formen dikterar alltid funktionen.

Forskarna upptäckte att droppen inte lindas jämnt runt nanotråden. Snarare, den lockar fram den växande änden av nanotråden att facettera till ojämnt avfasade kanter. "Denna samling av trunkerade kanter tjänar samma syfte som de arkimedeiska spiralerna som underlättar tillväxten av makroskala kristaller, och det är en viktig del av pusslet för storskalig tillväxt av dessa kristaller med föreskriven form, " sa Upmanyu. När droppen samlar de förångade partiklarna i sitt flytande tillstånd, de börjar mätta systemet och fälls ut för att bilda den solida tråden. Nederbörden är mycket snabbare på de avfasade kanterna, vilket i slutändan leder till lager-för-lager-tillväxt av nanotråden.

Med denna nya förståelse, forskare kan börja utveckla mycket specifika kristallina strukturer – allt från effektiva solpaneler till LED-belysning – till relativt billiga prisklasser. Upmanyu har redan börjat samarbeta med andra forskare vid Northeastern, från fysiker till biologer, att "skulptera" nanotrådar med särskilda egenskaper.

"En grundläggande förståelse för nanokristalltillväxt är fortfarande en utmaning, eftersom nyckelprocesserna kräver en tvärvetenskaplig insats, ", sa Upmanyu. "Förutom banbrytande beräkningsverktyg och algoritmer, det involverar element av tillväxtkemi, legering metallurgi, och ytvetenskap. "