Den här tiden på året är det inte svårt att föreställa sig världen begravd under ett slätt snötäcke. Ett picknickbord på en platt gräsmatta försvinner så småningom när biljoner snöflingor samlas runt det, ett kristallint ark som skymmer de normalt synliga topparna och dalarna i vår sommarvärld.

Detta är i grunden hur forskare förstår den klassiska teorin om kristallin tillväxt. Höjdstegen försvinner gradvis när atomer av ett visst material – vare sig det är snö eller koppar eller aluminium – samlas på en yta och sedan faller ner till lägre höjder för att fylla i luckorna. Det enda problemet med denna teori är att den faller samman totalt när den tillämpas på extremt små situationer, dvs. nanoskalan.

Hanchen Huang, professor och ordförande vid institutionen för maskin- och industriteknik, har ägnat de senaste 10 åren åt att revidera den klassiska teorin om kristalltillväxt som står för hans observationer av nanorodkristaller. Hans arbete har fått det fortsatta stödet från USA, Institutionen för energis grundläggande energivetenskapliga kärnprogram.

Nanorods är små fibrer som odlas vinkelrätt mot ett substrat, var och en cirka 100, 000 gånger tunnare än ett människohår. Ytsteg, eller de mindre variationerna i det vertikala landskapet för det substratet, bestämma hur stavarna kommer att växa.

"Även om vissa ytsteg är närmare och andra mer ifrån varandra i början, med tiden förutspår den klassiska teorin att de blir mer utjämnade, "Huang sa. "Men vi fann att den klassiska teorin missade en positiv återkopplingsmekanism."

Denna mekanism, han förklarade, gör att stegen "kluster, " gör det svårare för atomer att falla från ett högre steg till ett lägre. Så, istället för att fylla i höjdspalterna på en variabel yta, atomer i en nanorodkristall lokaliseras till de högsta nivåerna.

"Den högre regionen blir högre, " sa Huang. "Det är som, om du någonsin spelar basket, du vet att de längre killarna kommer att få fler returer." Det är i princip vad som händer med nanorod-tillväxt.

Huangs teori, som publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev det här året, representerar första gången någon har tillhandahållit en teoretisk ram för att förstå nanorod-kristalltillväxt. "Mycket pengar har spenderats under de senaste decennierna på nanovetenskap och nanoteknik, "Huang sa. "Men vi kan bara förvandla det till verkliga tillämpningar om vi förstår vetenskapen."

Verkligen, hans bidrag till att förstå vetenskapen gjorde det möjligt för honom och hans kollegor att förutsäga den minsta möjliga storleken för kopparnanostavar och sedan framgångsrikt syntetisera dem. De är inte bara de minsta nanoroderna som någonsin tillverkats, men med Huangs teori kan han med säkerhet säga att de är de minsta möjliga nanoroderna med hjälp av fysisk ångavsättning.

Materialet har stora konsekvenser för kommersiella tillämpningar, inklusive ett slags metalliskt lim som kan smälta samman två metallbitar vid rumstemperatur, i omgivande miljö, och med väldigt lite tryckinmatning. Denna teknik kan möjliggöra omgivande lödning utan behov av giftigt bly, och kan därför vara extremt värdefull för halvledarindustrin, som genomsyrar samhället genom den allestädes närvarande användningen av handhållna och andra datorenheter.