(Phys.org) — Genom att lägga precis rätt mängd spänning på en kedja av kolatomer kan den förvandlas från en metallisk ledare till en isolator, enligt Rice University-forskare.

Att sträcka ut materialet som kallas karbyn – ett svårtillverkat, endimensionell kedja av kolatomer – med bara 3 procent kan börja förändra dess egenskaper på sätt som ingenjörer kan finna användbara för mekaniskt aktiverad elektronik och optik i nanoskala.

Fyndet av Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson och hans kollegor visas i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Tills nyligen, Carbyne har funnits mest i teorin, även om experimentalister har gjort framsteg med att skapa små prover av det petiga materialet. Kolkedjan skulle teoretiskt sett vara det starkaste materialet någonsin, om bara någon kunde göra det tillförlitligt.

De första principberäkningarna av Yakobson och hans medförfattare, Rice postdoktor Vasilii Artyukhov och doktorand Mingjie Liu, visa att sträckning av kolkedjor aktiverar övergången från ledare till isolator genom att vidga materialets bandgap. Bandluckor, vilka fria elektroner måste övervinna för att slutföra en krets, ge material de halvledande egenskaperna som gör modern elektronik möjlig.

I deras tidigare arbete om carbyne, forskarna trodde att de såg antydningar om övergången, men de var tvungna att gräva djupare för att finna att stretching effektivt skulle förvandla materialet till en switch.

Varje kolatom har fyra elektroner tillgängliga för att bilda kovalenta bindningar. I sitt avslappnade tillstånd, atomerna i en karbynkedja skulle vara mer eller mindre jämnt fördelade, med två band mellan sig. Men atomerna är aldrig statiska, på grund av naturlig kvantosäkerhet, vilket Yakobson sa hindrar dem från att glida in i en mindre stabil Peierls-förvrängning.

"Peierls sa att endimensionella metaller är instabila och måste bli halvledare eller isolatorer, " sa Yakobson. "Men det är inte så enkelt, eftersom det finns två drivande faktorer."

Ett, Peierls förvrängning, "vill öppna gapet som gör det till en halvledare." Den andra, kallad nollpunktsvibration (ZPV), "vill upprätthålla enhetlighet och metalltillståndet."

Yakobson förklarade att ZPV är en manifestation av kvantosäkerhet, som säger att atomer alltid är i rörelse. "Det är mer en oskärpa än en vibration, " sa han. "Vi kan säga att karbyn representerar osäkerhetsprincipen i handling, för när det är avslappnat, bindningarna förväxlas ständigt mellan 2-2 och 1-3, till den punkt där de snittar ut och kedjan förblir metallisk."

Men att sträcka kedjan flyttar balansen mot omväxlande långa och korta (1-3) bindningar. Det öppnar successivt ett bandgap som börjar vid cirka 3 procents spänning, enligt beräkningarna. Rice-teamet skapade ett fasdiagram för att illustrera förhållandet mellan bandgapet och töjning och temperatur.

Hur karbyn fästs på elektroder spelar också roll, sa Artyukhov. "Olika bindningsanslutningsmönster kan påverka den metalliska/dielektriska tillståndsbalansen och förskjuta övergångspunkten, potentiellt där den kanske inte är tillgänglig längre, "Så man måste vara extremt försiktig med att knyta kontakterna."

"Carbynes struktur är en gåta, " sa han. "Tills denna tidning, alla var övertygade om att det var singel-trippel, med en lång bindning sedan en kort bindning, orsakad av Peierls instabilitet." Han sa att insikten om att kvantvibrationer kan dämpa Peierls, tillsammans med teamets tidigare upptäckt att spänning kan öka bandgapet och göra karbyn mer isolerande, föranledde den nya studien.

"Andra forskare övervägde ZPVs roll i Peierls-aktiva system, även carbyne själv, innan vi gjorde det, " sa Artyukhov. "Men, i alla tidigare studier övervägdes endast två möjliga svar:antingen "karbyn är halvledande" eller "karbyn är metallisk, ' och slutsatsen, vilken som helst, sågs som en slags tidlös matematisk sanning, en statisk 'slutgiltig dom'. Vad vi insåg här är att du kan använda spänning för att dynamiskt gå från en regim till en annan, vilket gör det användbart på en helt annan nivå."

Yakobson noterade att resultaten borde uppmuntra mer forskning om bildandet av stabila karbynkedjor och kan gälla lika för andra endimensionella kedjor som är föremål för Peierls-förvrängningar, inklusive ledande polymerer och laddnings-/spindensitetsvågmaterial.