Forskare från University of California, Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en teknik för att selektivt odla kolnanorör med specifika atomstrukturer som kallas kiraliteter. Detta genombrott, som beskrivs i en studie publicerad i tidskriften Nature, främjar kontrollen och förståelsen av nanorörsegenskaper som är avgörande för deras praktiska tillämpningar inom nanoelektronik, optik och energiteknik.

Kolnanorör är cylindriska strukturer gjorda av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. På grund av deras unika egenskaper, inklusive hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, mekanisk styrka och kemisk stabilitet, har nanorör tilldragit sig betydande forskningsintresse för olika potentiella tillämpningar.

Men förverkligandet av dessa applikationer är beroende av att uppnå exakt kontroll över atomstrukturen hos nanorör, särskilt kiraliteter. Kiralitet hänvisar till hur kolatomer vrider sig när de lindas runt för att bilda ett rör, och det påverkar nanorörets elektroniska och optiska egenskaper. Forskare har tidigare observerat mer än 170 olika kiraliteter, men att kontrollera tillväxten av specifika har varit en utmaning.

För att möta denna utmaning utvecklade Berkeley Lab-teamet en odlingsteknik som kallas "kemisk ångavsättning av superkritisk vätska med kontinuerlig lösningsmatning." Denna metod innebär att kontinuerligt införa en prekursorlösning i en kemisk ångavsättningsreaktor (CVD) under superkritiska förhållanden - hög temperatur och högt tryck som gör att lösningen beter sig som en gas.

Den kontinuerliga matningen av prekursorn säkerställer en konsekvent tillförsel av kolatomer, medan de superkritiska förhållandena främjar enhetlig tillväxt av nanorör.

Med denna teknik odlade forskarna selektivt kolnanorör med en kiralitet med kontrollerade diametrar och längder. De visade upp sitt tillvägagångssätt genom att odla nanorör med fem olika kiraliteter, vilket demonstrerade mångsidigheten i deras metod. Tillväxtselektiviteten möjliggjordes genom att finjustera prekursorsammansättningen och tillväxtbetingelserna.

Enligt studien öppnar den selektiva tillväxten av kolnanorör nya möjligheter för grundläggande studier av struktur-egenskapsförhållandena och för att optimera nanorörsprestanda i riktade applikationer. Till exempel visar specifika kiraliteter lovande för elektroniska enheter, optoelektronik och fälteffekttransistorer. Kolnanorör kan också tjäna som bas för nanokompositer med skräddarsydda mekaniska och elektriska egenskaper.

Genom att bemästra förmågan att syntetisera nanorör med specifika atomstrukturer ger forskarna ett betydande steg framåt i att låsa upp potentialen hos dessa nanostora underverk för avancerade tekniska tillämpningar.