Ultratunna nanorörskristaller i kol kan ha fantastiska användningsområden, som att omvandla spillvärme till elektricitet med nästan perfekt effektivitet, och Rice Universitys ingenjörer har tagit ett stort steg mot det målet.

Det senaste steget fortsätter en historia som började 2013, när Rice's Junichiro Kono och hans elever upptäckte en banbrytande metod för att få kolnanorör att radas upp i tunna filmer på ett filtermembran.

Nanorör är långa, ihålig och notoriskt trasselbenägen. Tänk dig en trädgårdsslang som är dussintals mil lång, krymp sedan slangens diameter till ett fåtal atomers bredd. Alla som någonsin kämpat med en knuten slang kan uppskatta Konos bedrift:Han och hans elever hade förvandlat en skara oregerliga nanorör till ett välordnat kollektiv. Av sig själva, och med miljarder, nanorör låg villigt sida vid sida, som torr spagetti i en låda.

Problemet? Kono och hans elever hade ingen aning om varför det hände.

"Det var magiskt. Jag menar, riktigt mystiskt, sa Kono, en elektroingenjör, tillämpad fysiker och materialvetare som har studerat kolnanorör i mer än två decennier. "Vi hade ingen aning om vad som verkligen hände i mikroskopisk skala. Och viktigast av allt, vi visste inte ens i vilken riktning dessa nanorör skulle riktas in."

Han och hans team publicerade sina resultat 2016, och fältet vägde in med möjliga förklaringar. Svaret, som beskrivs i en ny artikel av Konos team och samarbetspartners i Japan, är både oväntat och enkelt:Små parallella spår i filterpapperet – en artefakt av papperets produktionsprocess – orsakar inriktningen av nanoröret. Forskningen är tillgänglig online i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Kono sa att en doktorand i sitt labb, studiens huvudförfattare Natsumi Komatsu, var den första som lade märke till spåren och associerade dem med nanorörsjustering.

"Jag upptäckte att alla kommersiellt köpta filtermembranpapper som används för denna teknik har dessa spår, "Komatsu sa." Tätheten av spår varierar från sats till sats. Men det finns alltid spår."

För att bilda de 2D-kristallina filmerna, forskare suspenderar först en blandning av nanorör i en vatten-ytaktiv lösning. Det tvålliknande ytaktiva medlet täcker nanorören och fungerar som en dettanglare. Under 2013, Konos elever använde vakuumfiltrering för att dra dessa blandningar genom membranfilterpapper. Vätskan passerade genom pappersmembranet, lämnar en film med inriktade nanorör ovanpå.

I en uttömmande uppsättning experiment, Komatsu och kollegor, inklusive Kono-gruppens postdoktor Saunab Ghosh, visade att inriktningen av nanorör i dessa filmer motsvarade parallella, submikroskopiska spår på papperet. Spåren bildas sannolikt när filterpapperet dras på rullar på fabriken, sa Kono.

Komatsu undersökte dussintals prover av filterpapper och använde skanningelektronmikroskop och atomkraftsmikroskop för att karakterisera spår och spårmönster. Hon skar filter i bitar, återmonterade bitarna med spår åt olika håll och visade att de producerade filmer med matchande justeringar.

Komatsu och kollegor använde också värme och tryck för att ta bort spåren från filterpapper, med samma principer för att stryka rynkor från kläder. De visade att filmer gjorda med spårfritt papper hade nanorör inriktade i flera riktningar.

Till sist, börjar med spårfritt papper, de visade att de kunde använda ett mycket fint reflekterande galler med periodiska räfflor för att skapa sina egna mönster av räfflor och att motsvarande nanorörsfilmer följde dessa mönster.

Kono sa att metoden är spännande eftersom den ger en nödvändig nivå av förutsägbarhet för produktion av 2-D kristallina nanorörfilmer.

"Om nanorören är slumpmässigt orienterade, du förlorar alla endimensionella egenskaper, " Sa Kono. "Att vara endimensionell är nyckeln. Det leder till alla ovanliga men viktiga egenskaper. "

Medan Kono-gruppens filmer i huvudsak är 2-D – så mycket som en tum i diameter men bara några miljarddels meter tjocka – beter sig de individuella nanorören som 1D-material, särskilt när det gäller deras optiska och elektroniska egenskaper.

De extraordinära optiska och elektroniska egenskaperna hos kolnanorör beror på deras diameter och struktur, eller kiralitet. Vissa kiraliteter fungerar som metaller och andra som halvledare, och forskare har kämpat i decennier för att hitta ett sätt att göra stora, makroskopiska föremål som en tråd eller en av Konos filmer med en diameter på 1 tum enbart av nanorör med en diameter och kiralitet.

"Det är uppenbarligen nästa steg, " sa Ghosh. "I den här studien, vi använde fortfarande en blandning av metalliska och halvledande kolnanorör med en diameterfördelning. Nästa steg är att tillämpa denna nya metod baserad på avsiktlig spårbildning med hjälp av ett galler för att uppnå total kontroll över inriktningsriktningen."

Kono sa att hans team har gjort mycket justerade 2D-kristaller från lösningar med en varierad blandning av nanorör.

"Men när vi går till en enda kiralitetslösning, vi var aldrig nöjda med inriktningen, " sa han. "Nu, med denna kunskap om spår, vi är övertygade om att vi kan förbättra graden av inriktning i fallet med kolnanorörsfilmer med en kiralitet."

Enkiralitetsfilmer kan öppna dörren för applikationer med en häpnadsväckande potential-till exempel ark av rent kol som omvandlar värme till ljus med nästan perfekt effektivitet. Att gifta ett sådant ark med ett fotovoltaiskt material kan ge ett sätt att omvandla värme till elektrisk kraft mycket effektivt, skapar möjlighet till radiatorer som både kyler motorer och elektronik samtidigt som de driver dem.

Konos laboratorium och forskargruppen för Rices Gururaj Naik visade konceptet för detta i en artikel från 2019 om hyperboliska kolnanorörfilmer.

Enkelkiralitetskristallina filmer kan också användas för att studera nya materiatillstånd, såsom excitonpolaritoner och Bose-Einstein-kondensat, och för applikationer som ännu inte har planerats, Sa Kono.

"I detta ögonblick, endast ett litet antal grupper i världen kan göra dessa anpassade, mycket tät, tungt packade kol -nanorörfilmer, " sa han. "Och arbetet vi just avslutat, det spårunderstödda arbetet, ger mer kontroll. Detta kommer att leda till bättre filmer, nya tillämpningar och ny vetenskap. Vi är väldigt exalterade."