Harvard-forskare har utvecklat en första metod i sitt slag för att skapa en klass av nanotrådar som en dag kan ha tillämpningar inom områden som sträcker sig från hemelektronik till solpaneler.

Tekniken, utvecklad av Bobby Day och Max Mankin, doktorander som arbetar i Charles Liebers labb, Mark Hyman Jr. professor i kemi, utnyttjar två sedan länge förstådda principer. En är Plateau-Rayleigh instabilitet, en aspekt av vätskedynamik som beskriver varför en tunn ström av vatten bryts upp i mindre droppar. Den andra involverar kristalltillväxt. Tekniken beskrivs i en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Detta är verkligen en grundläggande upptäckt, " sa Day. "Vi är fortfarande i ett tidigt skede, men vi tror att det finns mycket utrymme för upptäckt, både av grundläggande egenskaper hos dessa strukturer såväl som applikationer."

Beskrevs första gången 1870, Plateau-Rayleigh instabilitet är normalt förknippat med vätskor, men forskare i åratal har känt igen ett liknande fenomen i nanotrådar. Vid uppvärmning till extrema temperaturer, trådarna förvandlas från fasta till en serie av periodiskt åtskilda droppar.

För att skapa den nya typen av tråd, Day och Mankin värmde upp traditionellt odlade nanotrådar till strax under den omvandlingspunkten i en vakuumkammare, pumpade sedan in kiselatomer, som spontant kristalliserar på tråden.

Istället för att bilda ett enhetligt skal, atomerna växer till regelbundet åtskilda strukturer, liknande de droppar som dyker upp när nanotrådar går sönder vid höga temperaturer. Till skillnad från dropparna, fastän, processen kan kontrolleras noggrant.

"Genom att variera temperaturen och trycket, vi kan utöva viss kontroll över storleken och avståndet mellan dessa strukturer, " sa Day. "Vad vi hittade var om vi ändrar villkoren, vi kan "justera" hur dessa strukturer är byggda."

Tillsammans med att duplicera processen i nanotrådar mellan 20 och 100 nanometer i diameter, forskare demonstrerade processen med hjälp av flera kombinationer av material, inklusive kisel och germanium. Förutom att kunna "stämma" avståndet mellan loberna på nanotrådar, Mankin sa att tester visade att de också kunde ställa in ledarnas tvärsnitt.

"Vi kan ställa in tvärsnittet för att producera mer rundade eller fyrkantiga trådar, " Sa Mankin. "Vi kunde också producera trådar med en blodplättsliknande form."

Med de nya strukturerna, forskare fann, kom nya egenskaper för ledningarna. Medan Day och Mankins studie fokuserade på ledningarnas förmåga att absorbera olika våglängder av ljus, båda nämnda ytterligare forskning behövs för att utforska andra egenskaper.

"Denna tidning är bara ett exempel, " sa Day. "Det finns många andra egenskaper - inklusive värmeledningsförmåga, elektrisk ledningsförmåga, och magnetiska egenskaper - som beror på trådarnas diameter, och de behöver fortfarande utforskas."

Även om det kan ta år att helt utforska dessa ytterligare egenskaper, Day och Mankin sa att ansökningar om de nya ledningarna kan dyka upp inom en snar framtid.

"Strukturer i denna skala, eftersom de har en sub-våglängd i storlek, absorberar ljus mycket effektivt, " förklarade Day. "De fungerar nästan som optiska antenner, och tratt in ljuset i dem. Tidigare forskning har visat att trådar med olika diameter absorberar olika våglängder av ljus. Till exempel, mycket små diametrar absorberar blått ljus väl, och större diametrar absorberar grönt ljus. Vad vi visade är om du har denna modulering längs strukturen ... vi kan ha det bästa av två världar och absorbera båda våglängderna på samma struktur."

De nya ledningarnas ovanliga ljusabsorberande förmåga slutar inte där, fastän.

Genom att krympa utrymmet mellan de kristallina strukturerna, Day och Mankin upptäckte att ledningarna inte bara absorberar ljus vid specifika våglängder, de absorberar också ljus från andra delar av spektrumet.

"Det är faktiskt mer än en enkel additiv effekt, " sa Day. "När du krymper avståndet till avstånd mindre än cirka 400 nanometer, det skapar vad som kallas gitterlägen, och vi ser dessa enorma absorptionstoppar i det infraröda. Vad det betyder är att du kan absorbera samma mängd infrarött ljus med dessa nanotrådar som du kunde med traditionella kiselmaterial som är 100 gånger tjockare."

"Detta är en kraftfull upptäckt eftersom tidigare, om du ville använda nanotrådar för fotodetektion av grönt och blått ljus, du behöver två kablar, ", sa Mankin. "Nu kan vi minska mängden utrymme som en enhet kan ta upp genom att ha flera funktioner i en enda tråd. Vi kommer att kunna bygga mindre enheter som fortfarande håller hög effektivitet, och i vissa fall dra nytta av nya egenskaper som kommer att uppstå från denna modulering som du inte har i trådar med enhetlig diameter."

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.