I strävan att miniatyrisera elektronik, solenoider har blivit alldeles för stora, Rice University-forskare som upptäckte den väsentliga komponenten kan skalas ner till nanostorlek med prestanda i makroskala.

Hemligheten ligger i en spiralform av atomtunn grafen som, anmärkningsvärt, finns i naturen, enligt Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson och hans kollegor.

"Vanligtvis, vi bestämmer egenskaperna för material som vi tror kan vara möjliga att tillverka, men den här gången tittar vi på en konfiguration som redan finns, " sa Yakobson. "Dessa spiraler, eller skruvförskjutningar, bildas naturligt i grafit under dess tillväxt, även i vanligt kol."

Forskarna fastställde att när en spänning appliceras, ström kommer att flyta runt den spiralformade banan och producera ett magnetfält, som det gör i makroinduktor-solenoider. Upptäckten beskrivs i en ny artikel i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

"Man kan jämföra strukturen med en höghusparkering för elektroner - men utan parkeringsplatser, så elektronerna bara kör igenom, ", sa Yakobson. "Eller så kan man säga att den liknar Arkimedes skruv – som roterar för att pumpa vatten uppåt – men fylld med elektricitet istället.

"Kanske det här kan fungera omvänt här:En elektronström, pumpas igenom av den pålagda spänningen, vid vissa förhållanden kan bara få grafenspiralen att snurra, som en snabb liten elektroturbin, " han sa.

Solenoider är ledningar lindade runt en metallkärna. De producerar ett magnetfält när de bär ström, förvandla dem till elektromagneter. Dessa är utbredda i elektroniska och mekaniska enheter, från kretskort till transformatorer till bilar. De fungerar också som induktorer, primära komponenter i elektriska kretsar som reglerar ström, och i sin minsta form ingår i integrerade kretsar. (Klumpen i strömkablarna som matar elektroniska enheter innehåller induktorer.)

Medan transistorer blir stadigt mindre, grundläggande induktorer inom elektronik har blivit relativt skrymmande, sa Fangbo Xu, en Rice-alumn och huvudförfattare till tidningen. "Det är samma sak inuti kretsarna, " sade han. "Kommersiella spiralinduktorer på kisel upptar överdriven yta. Om det inses, grafen nano-solenoider kan ändra det."

De nano-solenoider som analyserats genom datormodeller på Rice borde kunna producera kraftfulla magnetfält på cirka 1 tesla, ungefär samma som spolarna som finns i vanliga högtalare, enligt Yakobson och hans team. De fann att magnetfältet skulle vara starkast i hålet, nanometerbrett hålrum i spiralens mitt.

Spiralformen kan tillskrivas ett enkelt topologiskt trick, han sa. Grafen är gjord av hexagonala uppsättningar av kolatomer. Missbildade hexagoner som kallas dislokationer längs ena kanten tvingar grafenet att vrida sig runt sig själv, liknar ett kontinuerligt nanorband som efterliknar en matematisk konstruktion som kallas en Riemann-yta.

Forskarna demonstrerade teoretiskt hur energi skulle flöda genom hexagonerna i nano-solenoider med kanter i antingen fåtölj- eller sicksackformationer. I ett fall, de fastställde att prestandan hos en konventionell spiralinduktor på 205 mikron i diameter kunde matchas av en nano-solenoid 70 nanometer bred – nästan 10, 000, 000 gånger mindre.

Eftersom grafen inte har något energibandgap (vilket ger ett material halvledande egenskaper), elektriciteten ska gå igenom utan några hinder. Men egentligen, spiralens bredd och kanternas konfiguration – antingen fåtölj eller sicksack – påverkar hur strömmen fördelas, och därmed dess induktiva egenskaper.

Forskarna föreslog att det borde vara möjligt att isolera grafenskruvförskjutningar från kristaller av grafitkol (grafen i bulkform), men att locka grafenark att växa i en spiral skulle ge bättre kontroll över dess egenskaper, sa Yakobson.

Xu föreslagna nano-solenoider kan också vara användbara som molekylära reläer eller omkopplingsbara fällor för magnetiska molekyler eller radikaler i kemiska sonder.