När elektroniska enheter fortsätter att krympa för att möta efterfrågan på fickformat och bärbar teknologi, forskare arbetar med att utveckla de små komponenterna som får dem att fungera och ett team vid University of Nottingham har utvecklat en ny metod för att förbereda en koaxialkabel runt 50, 000 gånger smalare än bredden på ett människohår.

Denna liten tråd - som består av en kolnanorör placerad inuti ett bornitrid -nanorör - kan produceras i en förberedande skala och kan utgöra ett viktigt steg mot miniatyrisering av elektroniska enheter.

Det multinationella teamet av experter från Storbritannien och Ungern, leddes gemensamt av Andrei Khlobystov, en professor i nanomaterial och chef för University of Nottinghams Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), och Graham Rance, en forskare i nanomaterialkarakterisering vid nmRC, som har kompletterande expertis inom syntes och karakterisering av kolnanomaterial. Studien med titeln "Tillväxt av kolnanorör inuti bornitridnanorör genom sammansmältning av fullerener:mot världens minsta koaxialkabel" har publicerats i Små metoder , en ny tidskrift fokuserad på banbrytande utveckling inom experimentella metoder för produktion av nano- och mikroskala material.

Koaxialkablar – väsentliga för säker transport av elektrisk ström som driver moderna enheter – består vanligtvis av en inre ledare (vanligtvis koppar) omgiven av en isolerande plastmantel. Dock, när konsumenternas efterfrågan på mindre elektroniska enheter ökar, gränsen till vilken dessa nuvarande material kan användas nås snabbt. Koppar, till exempel, är känt att förlora sin höga konduktivitet när den skalas ner till mycket små storlekar och därför blir nya material allt viktigare.

Miniatyrtrådar

Kolnanorör är starka, lätt och, viktigast, starkt elektriskt ledande miniatyrledningar, typiskt 1-5 nanometer i diameter, men upp till centimeter långa, och är idealiska för kärnan i en isolerad nanokabel. Bornitrid -nanorör, samtidigt som den strukturellt liknar kolnanorör, i jämförelse är elektriskt isolerande, perfekt för att omge den ledande kärnan. Utmaningen var att arrangera dessa två nanoskala material inuti varandra i den koaxiala geometrin som krävs. Denna forskning har visat att genom att placera små, fotbollsformad, kolrika molekyler (C60-fullerener) inuti bornitrid-nanorör och värmer de resulterande materialen till mycket höga temperaturer (över 1000 oC), fullerenerna omvandlas spontant till kolnanorör, leder till bildandet av ett elektriskt ledande kolnanorör inuti ett elektriskt isolerande bornitridnanorör – världens minsta koaxialkabel.

Professor Khlobystov sa:"För närvarande är de flesta moderna teknologier starkt beroende av användning av metaller, varav några blir alltmer sällsynta och dyra. Därför, det finns ett behov av att arbeta för att ersätta metaller med mer rikliga och hållbara element, såsom kol och andra lätta element. Vår studie visar principen för hur nanoskala kablar med ledande kärnor och isolerande skal kan tillverkas av enkla ingredienser. Nästa utmaning är att testa deras elektriska och mekaniska egenskaper för att bestämma omfattningen av dessa material för tekniska tillämpningar. "

Brett utbud

Dr Rance sa:"Vårt tillvägagångssätt för att förbereda en miniatyriserad koaxialkabel utforskar ytterligare förmågan hos ihåliga nanoskaliga tubuli att kontrollera bildandet av nya och intressanta nanostrukturer inuti den inre kaviteten, några som inte kan förberedas på något annat sätt. På en grundläggande nivå, denna forskning hjälper oss att förstå beteendet hos molekyler när de är begränsade till mycket små utrymmen; dock, på en mer praktisk nivå, vi räknar med att denna strategi kommer att leda till produktion av nya material, med potentiellt breda tillämpningar, från elektronik i nanoskala, till katalytiska material och i avkänningsanordningar. "

Forskningen utfördes av experter inom syntetisk och analytisk kemi, materialvetenskap och elektronmikroskopi och bygger konceptet med kolnanoprovrör utvecklat av Prof. Khlobystov (Världens minsta provrör, Guinness världsrekordbok 2005), där nanoröret samtidigt fungerar som en behållare för molekyler och ett reaktionskärl för kemiska omvandlingar. Hans banbrytande arbete med kol-nano-behållare och nano-reaktorer fortsätter att leda till nya sätt att styra molekylär sammansättning och studera kemiska reaktioner.

Professor Katalin Kamaras, Forskningsprofessor och expert i vibrationsspektroskopi samarbetade kring forskningen, med sitt team som arbetar vid Wigner Research Center for Physics vid Ungerska vetenskapsakademin i Budapest. Professor Kamaras sa:"Min forskargrupp har arbetat med spektroskopi av kolnanostrukturer under lång tid. Spektroskopi ger kunskap om den inre dynamiken hos de inkapslade molekylerna och kan följa deras transformationer utifrån deras fysikaliska egenskaper. Genom vårt samarbete med Prof. Khlobystov blev det möjligt att "se" de strukturer vi bara hade indirekt information om. Denna gemensamma forskning har potential att öppna nya möjligheter inom både grundläggande och tillämpad materialvetenskap. "

Forskningen i Storbritannien utfördes vid toppmoderna Nanoscale and Microscale Research Centre (nmRC). Centrets vision är att bli en världsledande anläggning för karakterisering och analys av molekylära material i nano- och mikroskala. Med en unik svit med 20 stora instrument är centret bemannat av experter med medicinsk, vetenskapliga och tekniska bakgrunder. De arbetar för närvarande med ett brett spektrum av forskning från cancerceller och 3-D-printade medicinska implantat till halvledare och solceller.