Ett av de långvariga problemen med att arbeta med nanomaterial - ämnen i molekyl- och atomskala - är att kontrollera deras storlek. När deras storlek ändras, deras egenskaper förändras också. Detta tyder på att enhetlig kontroll över storlek är avgörande för att kunna använda dem på ett tillförlitligt sätt som komponenter i elektronik.

Uttryckt på ett annat sätt, "om du inte kontrollerar storleken, du kommer att ha inhomogenitet i prestanda, "säger Mark Hersam." Du vill inte att några av dina mobiltelefoner ska fungera, och andra inte. "

Hersam, professor i materialvetenskap, kemi och medicin vid Northwestern University, har utvecklat en metod för att separera nanomaterial efter storlek, ger därför en konsistens i fastigheter som annars inte är tillgängliga. Dessutom, lösningen kom direkt från biovetenskaperna - biokemi, faktiskt.

Tekniken, känd som densitetgradient ultracentrifugering, är en decennier gammal process som används för att separera biomolekyler. National Science Foundation (NSF) -finansierad forskare teoretiserade korrekt att han kunde anpassa den till separata kolnanorör, valsade ark av grafen (ett enda atomskikt av hexagonalt bundna kolatomer), länge känt för sina potentiella applikationer i datorer och surfplattor, smarta telefoner och andra bärbara enheter, solceller, batterier och biobildning.

Tekniken har visat sig vara så framgångsrik att Hersam och hans team nu har två dussin väntande eller utfärdade patent, och 2007 grundade de ett eget företag, NanoIntegris, startade med en $ 150, 000 NSF -bidrag för småföretag. Företaget har kunnat skala upp produktionen med 10, 000-faldigt, och har för närvarande 700 kunder i 40 länder.

"Vi har nu kapacitet att producera tio gånger den globala efterfrågan på detta material, "Säger Hersam.

NSF stöder Hersam med $ 640, 000 individuella utredarbidrag beviljades 2010 för fem år. Också, han leder Northwestern's Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), som NSF finansierar, inklusive stöd för cirka 30 fakultetsmedlemmar/forskare.

Hersam är också nyligen mottagare av ett av årets prestigefyllda MacArthur -stipendier, en $ 625, 000 no-strings-bifogade utmärkelser, populärt känd som ett "geni" -bidrag. Dessa går till begåvade individer som har visat extraordinär originalitet och engagemang inom sina områden, och är avsedda att uppmuntra förmånstagare att fritt utforska sina intressen utan rädsla för risktagande.

"Detta gör att vi kan ta fler risker i vår forskning, eftersom det inte finns några ”milstolpar” måste vi möta, " han säger, med hänvisning till ett frekvent krav från många finansiärer. "Jag har också ett stort intresse för undervisning, så jag kommer att använda medlen för att påverka så många studenter som möjligt. "

Separationsprocessen för kolnanorör, som Hersam utvecklade, börjar med ett centrifugrör. In i det, "vi laddar en vattenbaserad lösning och introducerar ett tillsatsmedel som gör att vi kan justera den flytande densiteten i själva lösningen, " han förklarar.

"Det vi skapar är en gradient i den flytande densiteten för den vattenhaltiga lösningen, med låg densitet på toppen och hög densitet i botten, "fortsätter han." Vi laddar sedan kolnanorören och lägger det i centrifugen, som driver nanorören genom gradienten. Nanorören rör sig genom gradienten tills dess densitet matchar gradientens. Resultatet är att nanorören bildar separerade band i centrifugröret efter densitet. Eftersom densiteten hos nanoröret är en funktion av dess diameter, denna metod möjliggör separation med diameter. "

En egenskap som skiljer dessa material från traditionella halvledare som kisel är att de är mekaniskt flexibla. "Kolnanorör är mycket motståndskraftiga, "Säger Hersam." Det gör att vi kan integrera elektronik på flexibla underlag, som kläder, skor, och armband för realtidsövervakning av biomedicinsk diagnostik och idrottsprestanda. Dessa material har rätt kombination av egenskaper för att realisera bärbar elektronik. "

Han och hans kollegor arbetar också med energiteknik, såsom solceller och batterier "som kan förbättra effektiviteten och minska kostnaden för solceller, och öka kapaciteten och minska laddningstiden för batterier, "säger han." De resulterande batterierna och solcellerna är också mekaniskt flexibla, och kan därmed integreras med flexibel elektronik. "

De kommer troligen att visa sig vattentäta. "Det visar sig att kolnanomaterial är hydrofoba, så vattnet kommer att rulla direkt från dem, " han säger.

Material i nanometerskala nu "kan förverkliga nya egenskaper och kombinationer av egenskaper som är oöverträffade, "tillägger han." Detta kommer inte bara att förbättra nuvarande teknik, men möjliggöra ny teknik i framtiden. "