Kolnanospolar (CNC) är en exotisk klass av lågdimensionella nanokolväten vars spiralform kan göra dem lämpliga för applikationer som mikrovågsabsorbenter och olika mekaniska komponenter som fjädrar. Typiska tjocklekar och spoldiametrar för CNC:er ligger inom intervallen 100-400 nm och 400-1000 nm, respektive, och deras fulla längder är mycket större, i storleksordningen flera tiotals mikrometer. Trots tidigare pionjärarbete, förhållandet mellan den geometriska formen hos naturliga CNC:er och deras mekaniska och elektriska egenskaper, speciellt den elektriska resistiviteten, inte är väl förstådda.

Nu, forskare vid Toyohashi Tech, University of Yamanashi, Tekniska högskolan, Gifu College, och Tokai Carbon Co., Ltd. har fastställt att resistiviteten hos CNC ökar med spolens diameter. Detta krävde utvecklingen av en exakt resistivitetsmätningsmetod, med hjälp av en fokuserad jonstråle (FIB) och nanomanipulatorteknik för att välja ett prov CNC med önskad spolgeometri och sedan göra fasta elektriska anslutningar till instrumentets elektroder. Alla resistivitetsdata som erhållits med CNC:er passade väl av en kurva som förutspåddes av en teori känd som variabel avståndshoppning (VRH), som är lämplig för oordnade material vid låga temperaturer.

Forskningen visar att det inre av nanospolen innehåller material som påverkar dess elektriska egenskaper. Forskarna undersökte 15 individuella CNC, och tre CNC:er som hade artificiellt grafitiserade för att ge dem lägre resistivitet (G-CNC). Även om resistiviteten hos CNC:erna ökade med spolens diameter, det var nästan oförändrat för G-CNC. Som en konsekvens, för CNC med de största diametrarna, resistiviteten var nästan två storleksordningar större än den för de grafitiserade versionerna. Denna stora diskrepans i resistiviteten mellan CNC:er och G-CNC:er indikerar en betydande strukturell komplexitet inuti CNC:erna. Våra resultat antyder att det inre av CNC:er med stor spoldiameter är fyllt med ett mycket stört kolnätverk som består av många små regioner (kända som sp2-domäner) inbäddade i ett hav av amorft kol. För att verifiera denna teori, temperaturberoendet av resistiviteten mellan 4 K och 280 K undersöktes. Resistivitetsdata lydde två olika versioner av VRH-teorin; regimen i temperaturområdet 50-280 K visade sig vara den så kallade Mott-VRH-versionen, medan det i intervallet 4-20 K var Efros-Shklovskii-VRH-versionen. Intressant, resistivitetskurvorna skiftade mjukt mellan regimer när spolens diameter ändrades.

"Vi hittade det här beteendet för tre år sedan. På grund av två elevers ansträngningar, vi inkluderade resistivitetsdata för G-CNC och raka kolnanofibrer (CNF), och jämförde dem med data för CNCs", förklarar docent Yoshiyuki Suda, "Jag är så glad att Prof. Hiroyuki Shima och Dr. Tamio Iida gick med i denna studie. Vi fick tag i lågtemperaturmätdata och diskuterade det med hjälp av VRH-teorin. Så småningom, vi kom till slutsatsen att detta beteende är ett unikt fenomen för CNC och kan anpassas av VRH."

Den första författaren, Masterkursstudent Yasushi Nakamura, kommenterade hur de gick bortom CNC-resistivitetsmätningarna för andra grupper. "Det var en lång och utmanande uppgift. Jag var tvungen att förbereda många enstaka CNC-prover med en fokuserad jonstråleapparat. Vårt fynd uppnåddes genom att etablera ett exakt mätsystem med hjälp av ett svepelektronmikroskop och inhämta resistivitetsdata för många enskilda CNC."

Gruppens nuvarande resistivitetsresultat överensstämmer kvalitativt med deras tidigare rön om de mekaniska egenskaperna hos CNC:er:Dragbelastningsexperiment visade att deras skjuvmodul ökar med spolens diameter. Den positiva korrelationen mellan skjuvmodulen och spolens diameter orsakas möjligen av det faktum att i CNC:er med stor diameter, populationen av sp2-domäner, som är ömtåliga mot skjuvspänningar, är reducerad i jämförelse med små CNC:er.

Dessa resultat antyder att med nanospolar, resistansen såväl som induktansen definieras av geometriska faktorer. Särskilt, spole diameter, tonhöjd, och längden är viktiga. Den hittade korrelationen kan användas för att förbättra kontrollen över toppfrekvensen för elektromagnetisk vågabsorption, där ett visst frekvensområde (~GHz) absorberas, beroende på impedansegenskaperna.

Dessa fynd banar väg för CNC-baserade nanoenheter, allt från elektromagnetiska vågabsorbenter till nano-solenoider och extra känsliga mekaniska fjädrar.