Det kan se ut som en rulle hönsnät, men den här lilla cylindern av kolatomer – för liten för att se med blotta ögat – skulle en dag kunna användas för att tillverka elektroniska enheter, allt från mörkerseendeglasögon och rörelsedetektorer till effektivare solceller, tack vare tekniker utvecklade av forskare vid Duke University.
Deras arbete publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
Kolnanorör, som upptäcktes först i början av 1990-talet, är gjorda av enstaka ark av kolatomer rullade upp som ett sugrör.
Kol är inte precis ett nymodigt material. Allt liv på jorden är baserat på kol. Det är samma saker som finns i diamanter, kol och blyertspenna. Det som gör kolnanorör speciella är deras anmärkningsvärda egenskaper. Dessa små cylindrar är starkare än stål, och ändå så tunna att 50 000 av dem skulle vara lika tjocka som ett människohår.
De är också otroligt bra på att leda elektricitet och värme, vilket är anledningen till att kolnanorör, i strävan efter snabbare, mindre och effektivare elektronik, länge har utsetts som potentiella ersättningar för kisel.
Men att producera nanorör med specifika egenskaper är en utmaning.
Beroende på hur de rullas ihop anses vissa nanorör vara metalliska - vilket betyder att elektroner kan flöda genom dem vid vilken energi som helst. Problemet är att de inte går att stänga av. Detta begränsar deras användning i digital elektronik, som använder elektriska signaler som antingen är på eller av för att lagra binära tillstånd; precis som kiselhalvledartransistorer växlar mellan 0 och 1 bitar för att utföra beräkningar.
Duke kemiprofessor Michael Therien och hans team säger att de har hittat en väg runt detta. Tillvägagångssättet tar ett metalliskt nanorör, som alltid släpper igenom ström, och omvandlar det till en halvledande form som kan slås på och av.
Hemligheten ligger i speciella polymerer – ämnen vars molekyler är ihophakade i långa kedjor – som slingrar sig runt nanoröret i en ordnad spiral, "som att linda ett band runt en penna", säger första författaren Francesco Mastrocinque, som tog sin doktorsexamen i kemi. . i Theriens labb på Duke.
Effekten är reversibel, fann de. Att slå in nanoröret i en polymer ändrar dess elektroniska egenskaper från en ledare till en halvledare. Men om nanoröret packas upp går det tillbaka till sitt ursprungliga metalliska tillstånd.
Forskarna visade också att genom att ändra typen av polymer som omger ett nanorör, kunde de konstruera nya typer av halvledande nanorör. De kan leda elektricitet, men bara när rätt mängd extern energi tillförs.
"Denna metod ger ett subtilt nytt verktyg," sa Therien. "Det låter dig göra en halvledare genom design."
Praktiska tillämpningar av metoden är sannolikt långt borta. "Vi är långt ifrån att tillverka enheter," tillade Therien.
Mastrocinque och hans medförfattare säger att arbetet är viktigt eftersom det är ett sätt att designa halvledare som kan leda elektricitet när de träffas av ljus med vissa lågenergivåglängder som är vanliga men osynliga för mänskliga ögon.
I framtiden, till exempel, kan Duke-teamets arbete hjälpa andra att konstruera nanorör som upptäcker värme som frigörs som infraröd strålning, för att avslöja människor eller fordon gömda i skuggorna. När infrarött ljus – som det som sänds ut av varmblodiga djur – träffar en av dessa nanorörspolymerhybrider, skulle det generera en elektrisk signal.
Eller ta solceller:Den här tekniken kan användas för att tillverka nanorörhalvledare som omvandlar ett bredare spektrum av våglängder till elektricitet, för att utnyttja mer av solens energi.
På grund av spiralhöljet på nanorörets yta kan dessa strukturer också vara idealiska material för nya former av beräkningar och datalagring som använder elektronsnurr, förutom deras laddning, för att bearbeta och bära information.
Mer information: Francesco Mastrocinque et al, Bandgapöppning av metalliska enkelväggiga kolnanorör via icke-kovalent symmetribrytning, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317078121
Tillhandahålls av Duke University
