En enkel filtreringsprocess hjälpte forskare från Rice University att skapa flexibla, skivor av högt anpassade och tätt packade kolnanorör.

Forskare på Rice, med stöd från Los Alamos National Laboratory, har gjort tumbreda filmer av tätt packade, kiralitetsberikade enväggiga kolnanorör genom en process som avslöjas idag i Naturens nanoteknik .

I rätt lösning av nanorör och under rätt förhållanden, rören samlar sig i miljoner till långa rader som är bättre anpassade än vad man en gång trodde var möjligt, rapporterade forskarna.

De tunna filmerna erbjuder möjligheter att göra flexibla elektroniska och fotoniska (ljusmanipulerande) enheter, sa risfysikern Junichiro Kono, vars laboratorium ledde studien. Tänk på ett böjbart datorchip, snarare än en spröd kisel, och potentialen blir tydlig, han sa.

"När vi väl har centimeterstora kristaller bestående av enkanala nanorör, det är allt, "Sade Kono." Det är den heliga gralen för detta fält. Under de senaste 20 åren har människor har letat efter det här. "

Rislabbet närmar sig, han sa, men filmerna som rapporteras i den aktuella tidningen är "kiralitetsberikade" snarare än singelkiralitet. En kolnanorör är en cylinder av grafen, med sina atomer ordnade i sexkant. Hur sexkantarna vrids sätter rörets chiralitet, och det avgör dess elektroniska egenskaper. Vissa är halvledande som kisel, och andra är metalliska ledare.

En film av perfekt inriktad, enkelkiralitetsnanorör skulle ha specifika elektroniska egenskaper. Att styra kiraliteten skulle möjliggöra avstämningsbara filmer, Kono sa:men nanorör växer i grupper av slumpmässiga typer.

Tills vidare, Risforskarna använder en enkel process som utvecklats vid National Institute of Standards and Technology för att separera nanorör efter kiralitet. Även om det inte är perfekt, det var tillräckligt bra för att låta forskarna göra berikade filmer med nanorör av olika typer och diametrar och sedan göra terahertzpolarisatorer och elektroniska transistorer.

Rislabbet upptäckte filtreringstekniken i slutet av 2013 när forskarstuderande och huvudförfattare Xiaowei He och Weilu Gao av ​​misstag tillsatte lite för mycket vatten till en nanorör-ytaktiv suspension innan de matades genom ett filter med hjälp av vakuum. (Ytaktanter håller nanorör i en lösning från att klumpa ihop sig.)

Filmen som bildades på pappersfiltret bar ytterligare undersökning. "Weilu kollade filmen med ett skanningselektronmikroskop och såg något konstigt, "Sa han. I stället för att slumpa slumpmässigt på papperet som pickupstickor, nanorören - miljontals av dem - hade kommit ihop tätt, inriktade rader.

"Den första bilden gav oss en aning om att vi kan ha något helt annat, "Sa han. Ett år och mer än 100 filmer senare, studenterna och deras kollegor hade förfinat sin teknik för att göra nanorörskivor upp till en tum breda (begränsad endast av storleken på deras utrustning) och av vilken tjocklek som helst, från några till hundratals nanometer.

Ytterligare experiment visade att varje element var viktigt:typen av filterpapper, vakuumtrycket och koncentrationen av nanorör och ytaktivt ämne. Nanorör av vilken kiralitet och diameter som helst fungerade, men var och en krävde justeringar av de andra elementen för att optimera inriktningen.

Filmerna kan separeras från papperet och tvättas och torkas för användning, sa forskarna.

De misstänker att flerväggiga kolnanorör och nanorör utan kol som boritrid också skulle fungera.

Medförfattare Wade Adams, en senior fakultetsmedlem på Rice som specialiserat sig på polymervetenskap, sa att upptäckten är ett steg framåt i en lång strävan efter anpassade strukturer.

"De bildade det som kallas en monodomän i flytande kristallteknologi, där alla de styva molekylerna ligger i samma riktning, "Sa Adams." Det är häpnadsväckande. (Den sena Nobelpristagaren i ris) Rick Smalley och jag arbetade mycket hårt i flera år för att göra en enda kristall av nanorör, men dessa studenter har faktiskt gjort det på ett sätt som ingen av oss någonsin hade föreställt sig. "

Varför står nanorören i linje? Kono sa att laget fortfarande undersöker mekanismen för kärnbildning - det vill säga hur de första nanorören på papperet kommer ihop. "Vi tror att nanorören faller slumpmässigt först, men de kan fortfarande glida runt på pappret, "sa han." Van der Waals styrka för samman dem, och de söker naturligtvis sitt lägsta energitillstånd, som är i linje. "Eftersom nanorören varierar i längd, forskarna misstänker att överhängen tvingar andra rör att ställa upp när de går med i matrisen.

Forskarna fann att deras färdiga filmer kunde mönstras med standard litografi tekniker. Det är ännu ett plus för tillverkare, sa Kono, som började höra surr om upptäckten månader innan tidningen släpptes.

"Jag höll ett inbjudet föredrag om vårt arbete på en kolnanorörskonferens, och många människor försöker redan återge våra resultat, "sa han." Jag fick så mycket entusiastiskt svar direkt efter mitt tal. Alla bad om receptet. "