Kirala material interagerar med ljus på mycket exakta sätt som är användbara för att bygga bättre skärmar, sensorer och mer kraftfulla enheter. Emellertid är ingenjörsegenskaper som kiralitet tillförlitligt i stor skala fortfarande en betydande utmaning inom nanoteknik.
Forskare från Rice University i Junichiro Konos labb har utvecklat två sätt att tillverka syntetiska kirala kolnanorörsenheter i wafer-skala (CNT) med utgångspunkt från akirala blandningar. Enligt en studie publicerad i Nature Communications , kan de resulterande "tornadon" och "tvinnade och staplade" tunna filmerna kontrollera ellipticiteten – en egenskap hos polariserat ljus – till en nivå och inom ett spektrum av spektrumet som tidigare i stort sett var utom räckhåll.
"Dessa tillvägagångssätt har gett oss möjligheten att medvetet och konsekvent introducera kiralitet till material som hittills inte uppvisat denna egenskap i en makroskopisk skala", säger Jacques Doumani, doktorand i tillämpad fysik vid Rice och huvudförfattare till studie. "Våra metoder ger tunna, flexibla filmer med inställbara kirala egenskaper."
CNT - ihåliga cylindriska strukturer gjorda av kolatomer - har anmärkningsvärda elektriska, mekaniska, termiska och optiska egenskaper. En enkelväggig CNT har en diameter som är ungefär 100 000 gånger mindre än den hos ett enda människohår.
Problemet är att de flesta sätt att göra CNT i större kvantiteter, vilket är nödvändigt för användning i många applikationer, vanligtvis ger heterogena, oordnade nanorörssammansättningar. Sådana slumpmässiga arkitekturer minskar ett material övergripande prestanda.
Möjligheten att skapa tillräckligt stora mängder filmer där nanorören har samma diameter och orientering skulle kunna driva på innovation inom ett brett spektrum av domäner, från informationssystem till medicinska eller energitillämpningar.
"I tidigare forskning har vi visat att vår vakuumfiltreringsteknik kan uppnå nästan perfekt inriktning av kolnanorör i betydande skala", säger Kono, professor i ingenjörsvetenskap vid Karl F. Hasselmann, professor i elektro- och datateknik och materialvetenskap och nanoteknik och en av tidningens huvudutredare. "Denna forskning tillåter oss att ta det arbetet i en spännande ny riktning genom att introducera kiralitet."
Upptäckten att rörelse kunde ge en kiral vridning på ett ordnat CNT-arrangemang skedde helt av en slump.
"Det var, bokstavligen, en oväntad vändning," sa Doumani och berättade hur en skakig pump placerad på samma bord som vakuumfiltreringssystemet orsakade oavsiktliga vibrationer som lindade lagret av inriktade CNT till en tornadoliknande spiral.
"Dessa vibrationer hade en djupgående inverkan på arkitekturen hos de sammansatta kolnanorören, vilket fick oss att utforska och förfina detta nyfunna fenomen ytterligare," sa han. "Denna slumpmässiga upptäckt gjorde det möjligt för oss att inse att vi kan designa kolnanorörsarkitekturer med önskade egenskaper genom att justera rotationsvinklar och skakningsförhållanden."
Kono liknade den resulterande kirala symmetrin hos CNT-sammansättningarna med ett "konstverk".
"Jag är särskilt stolt över Jacques för att han fortsatte upptäckten att vi kan kombinera kolnanorörsfiltrering och skakning för att justera egenskaperna hos dessa filmer i wafer-skala," sa Kono.
Den andra metoden för att uppnå kiralitet innebar att stapla högriktade CNT-filmer i en vinkel genom att kontrollera antalet lager och vridningsvinklar.
"Vi uppnådde en anmärkningsvärd milstolpe i det djupa ultravioletta området, där vi satte ett nytt rekord för elliptiskhet," sa Doumani. "Dessutom är vår teknik mycket enkel att sätta upp jämfört med konkurrenter i det här utrymmet. Vi behöver inget komplicerat system för att göra dessa filmer."
Teknikerna kan användas för att konstruera material för nya optoelektroniska enheter, såsom lysdioder, lasrar, solceller och fotodetektorer. Det är också en uppsättning som potentiellt kan användas för att göra kiral film i wafer-skala med andra nanomaterial som bornitrid-nanorör och volframdiselenid-nanorör.
"Denna upptäckt lovar för olika tillämpningar," sa Doumani. "Inom läkemedel och biomedicin erbjuder det potential för biosensing, djuphavsavbildning och identifiering av användbara föreningar. Inom kommunikation kan det förbättra missildetektering, säkra kommunikationskanaler och stärka anti-interferenskapacitet. Inom kvantberäkningsteknik banar det väg för mer deterministisk foton-emitter-koppling.
"Vi är glada över att kunna utöka denna teknik till andra typer av nanomaterial också."
Mer information: Jacques Doumani et al, Ingenjörskiralitet i waferskala med ordnade kolnanorörsarkitekturer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43199-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Rice University
