Den här animationen visar molekylära byggstenar som sammanfogar spetsen på en växande nanotråd. Varje block består av en diamantoid - den minsta möjliga biten av diamant - fäst vid svavel- och kopparatomer (gula och bruna sfärer). Som LEGO-klossar, de passar bara ihop på vissa sätt som bestäms av deras storlek och form. Koppar- och svavelatomerna bildar en ledande tråd i mitten, och diamantoiderna bildar ett isolerande yttre skal. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har upptäckt ett sätt att använda diamantoider - de minsta möjliga diamantbitarna - för att sätta ihop atomer till de tunnaste möjliga elektriska ledningarna, bara tre atomer breda.
Genom att ta tag i olika typer av atomer och sätta ihop dem i LEGO-stil, den nya tekniken kan potentiellt användas för att bygga små trådar för ett brett spektrum av applikationer, inklusive tyger som genererar elektricitet, optoelektroniska enheter som använder både elektricitet och ljus, och supraledande material som leder elektricitet utan förlust. Forskarna rapporterade sina resultat i dag Naturmaterial .
"Vad vi har visat här är att vi kan göra små, ledande ledningar av minsta möjliga storlek som väsentligen monterar sig själva, sa Hao Yan, en postdoktor i Stanford och huvudförfattare till artikeln. "Processen är enkel, enpottsyntes. Du dumpar ingredienserna tillsammans och du kan få resultat på en halvtimme. Det är nästan som om diamanterna vet vart de vill gå."
Ju mindre desto bättre
Även om det finns andra sätt att få material att självmontera, detta är den första som visas för att göra en nanotråd med en solid, kristallin kärna som har goda elektroniska egenskaper, sade studiens medförfattare Nicholas Melosh, en docent vid SLAC och Stanford och utredare vid SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences vid SLAC.
De nålliknande trådarna har en halvledande kärna - en kombination av koppar och svavel som kallas en kalkogenid - omgiven av de fästa diamanterna, som bildar ett isolerande skal.
Fuzzy vita kluster av nanotrådar på en labbänk, med ett öre för skala. Monterad med hjälp av diamondoids, de mikroskopiska nanotrådarna kan ses med blotta ögat eftersom den starka ömsesidiga attraktionen mellan deras diamantformade skal gör att de klumpar ihop sig, i det här fallet med miljoner. Längst upp till höger, en bild gjord med ett svepelektronmikroskop visar nanotrådskluster förstorade 10, 000 gånger. Kredit:SEM-bild av Hao Yan/SIMES; foto av SLAC National Accelerator Laboratory
Deras ringa storlek är viktig, Melosh sa, eftersom ett material som existerar i bara en eller två dimensioner - som prickar i atomskala, trådar eller ark - kan ha mycket olika, extraordinära egenskaper jämfört med samma material tillverkat i bulk. Den nya metoden gör det möjligt för forskare att montera dessa material med atom-för-atom-precision och kontroll.
Diamantoiderna de använde som monteringsverktyg är små, sammankopplade burar av kol och väte. Finns naturligt i petroleumvätskor, de extraheras och separeras efter storlek och geometri i ett SLAC-laboratorium. Under det senaste decenniet, ett SIMES-forskningsprogram ledd av Melosh och SLAC/Stanford professor Zhi-Xun Shen har hittat ett antal potentiella användningsområden för de små diamanterna, inklusive förbättring av elektronmikroskopbilder och tillverkning av små elektroniska prylar.
Konstruktiv attraktion
För denna studie, forskargruppen utnyttjade det faktum att diamantoider är starkt attraherade av varandra, genom vad som kallas van der Waals styrkor. (Denna attraktion är det som får de mikroskopiska diamantoiderna att klumpa ihop sig till sockerliknande kristaller, vilket är den enda anledningen till att du kan se dem med blotta ögat.)
De började med minsta möjliga diamantoider - enkla burar som bara innehåller 10 kolatomer - och fäste en svavelatom till varje. Flytande i en lösning, varje svavelatom bunden med en enda kopparjon. Detta skapade den grundläggande nanotrådsbyggstenen.
Byggstenarna drev sedan mot varandra, ritad av van der Waals attraktion mellan diamantoiderna, och fäst vid den växande spetsen av nanotråden.
En illustration visar ett sexkantigt kluster av sju nanotrådar monterade av diamondoids. Varje tråd har en elektriskt ledande kärna gjord av koppar- och svavelatomer (bruna och gula sfärer) omgiven av ett isolerande diamantformigt skal. Den naturliga attraktionen mellan diamantoider driver monteringsprocessen. Kredit:H. Yan et al., Naturmaterial
"Mycket som LEGO-klossar, de passar bara ihop på vissa sätt som bestäms av deras storlek och form, " sa Stanford doktorand Fei Hua Li, som spelade en avgörande roll i att syntetisera de små trådarna och ta reda på hur de växte. "Koppar- och svavelatomerna i varje byggsten lindades upp i mitten, bildar den ledande kärnan av tråden, och de skrymmande diamantoiderna lindades upp på utsidan, bildar det isolerande skalet. "
En mångsidig verktygslåda för att skapa nya material
Teamet har redan använt diamantoider för att göra endimensionella nanotrådar baserade på kadmium, zink, järn och silver, inklusive några som växte tillräckligt länge för att se utan mikroskop, och de har experimenterat med att genomföra reaktionerna i olika lösningsmedel och med andra typer av styva, burliknande molekyler, som karboraner.
De kadmiumbaserade ledningarna liknar material som används inom optoelektronik, såsom lysdioder (LED), och de zinkbaserade är som de som används i solenergiapplikationer och i piezoelektriska energigeneratorer, som omvandlar rörelse till elektricitet.
"Du kan föreställa dig att väva in dem i tyger för att generera energi, ", sa Melosh. "Denna metod ger oss en mångsidig verktygslåda där vi kan mixtra med ett antal ingredienser och experimentella förutsättningar för att skapa nya material med finjusterade elektroniska egenskaper och intressant fysik."
Teoretiker under ledning av SIMES -chefen Thomas Devereaux modellerade och förutspådde nanotrådarnas elektroniska egenskaper, som undersöktes med röntgenstrålar vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, en användaranläggning för DOE Office of Science, för att bestämma deras struktur och andra egenskaper.
