Polariserande mikroskopbilder över tiden av ett morrhår som växer från en kristalliserande front av o-terfenyl. Det ses följa en sfärisk bubbla in i vätskemassan. Kredit:Tokyo Metropolitan University
Forskare från Tokyo Metropolitan University har upptäckt mekanismen bakom den snabba tillväxten av ultratunna nanotrådar eller "morrhår" i organiska föreningar. Nanotrådar är både en önskvärd teknisk innovation och en fara när de kortsluter elektronik:att förstå hur de växer är avgörande för applikationer. Märkligt nog visade sig filament växa från stora kristallina fronter genom att följa gasbubblor. Viktigt är att spårföroreningar kan undertrycka bubbelbildning och morrhårstillväxt, vilket tillåter kontroll över kristallstrukturen.
Nanotrådar är ultratunna filament av kristallint material som lovar spännande nya tillämpningar inom elektronik, katalys och energigenerering. De kan också växa spontant där de inte önskas, vilket överbryggar isolerande barriärer och kortsluter elektroniska kretsar. Att få grepp om hur de växer är ett viktigt tekniskt problem, men den exakta mekanismen är fortfarande okänd.
Ett team bestående av professor Rei Kurita, biträdande professor Marie Tani och Takumi Yashima från Tokyo Metropolitan University har tittat på kristalltillväxt i o-terfenyl och salol, båda typiska organiska föreningar som uppvisar whiskerkristaller, den snabba tillväxten av tunna filament från fronter av kristallint material när det kyls. Vid noggrann inspektion upptäckte de att varje glödtråd hade en liten bubbla vid sin spets. De lyckades visa att denna bubbla inte bara var en förorening eller bara inblandad i luft, utan en liten kapsel av gas av samma organiska förening. Istället för att molekyler i vätskan helt enkelt avsattes på en växande front som vid normal kristalltillväxt, överfördes den till gasen inuti bubblan innan den fästes vid spetsen av glödtråden, en helt annorlunda bild från standardbilden av frysning i vätskor. Detta ledde till en oöverträffad snabb tillväxt som också kunde reproduceras inuti tunna glaskapillärer för en mer kontrollerad tillväxt av nanotrådar.
För att ta itu med själva bubbelbildningen fann teamet att den stora densitetsskillnaden mellan kristall och vätska i dessa föreningar hade en roll att spela. Genom att upprepa experimenten med andra vätskor som inte hade så stor skillnad fann de ingen morrhår. De resonerade att den kristallina fronten var benägen att vara hem för inhomogeniteter med stor densitet, vilket i slutändan ledde till kavitation, spontan bildning av gasbubblor som fortsätter att föda morrhår.
Efter att ha upptäckt vad som orsakade filamenttillväxt, började teamet få lite kontroll över fenomenet genom att undertrycka bubbelbildning. De tillsatte en liten mängd föroreningar i materialet för att undertrycka kavitation. Visst nog, när bubblorna försvann, så försvann morrhåren också, vilket möjliggör en långsammare men morrhårsfri tillväxt av stora bitar av enhetligt kristallint material.
Med oöverträffad avstämningsbarhet och en förståelse för fysiken bakom processen, lovar teamets arbete nya metoder för att odla nanofilament för tekniska tillämpningar, och olika strategier för att skydda elektronik och batterier från potentiellt farliga kortslutningar som utlöses av morrhårkristaller. Forskningen publiceras i Scientific Reports . + Utforska vidare
