Un proceso de filtración simple ayudó a los investigadores de la Universidad de Rice a crear películas flexibles, a escala de obleas, de nanotubos de carbono altamente alineados y estrechamente empaquetados.
Los científicos de Rice, con el apoyo del Laboratorio Nacional de Los Álamos, han realizado películas de una pulgada de ancho de nanotubos de carbono de pared simple, densamente enriquecidos con quiralidad a través de un proceso revelado hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
En la solución correcta de nanotubos y en las condiciones adecuadas, los tubos se ensamblan por millones en largas filas que se alinean mejor de lo que se creía posible, informaron los investigadores.
Las películas delgadas ofrecen posibilidades para fabricar dispositivos electrónicos y fotónicos flexibles que manipulan la luz, dijo el físico de Rice Junichiro Kono, cuyo laboratorio dirigió el estudio. Piense en un chip de computadora flexible, en lugar de uno frágil de silicio, y el potencial se vuelveclaro, dijo.
"Una vez que tenemos cristales del tamaño de un centímetro que consisten en nanotubos de quiralidad simple, eso es todo", dijo Kono. "Ese es el santo grial para este campo. Durante los últimos 20 años, la gente ha estado buscando esto".
El laboratorio de Rice se está cerrando, dijo, pero las películas informadas en el documento actual están "enriquecidas en quiralidad" en lugar de una quiralidad simple. Un nanotubo de carbono es un cilindro de grafeno, con sus átomos dispuestos en hexágonos.Los hexágonos se giran para establecer la quiralidad del tubo, y eso determina sus propiedades electrónicas. Algunos son semiconductores como el silicio, y otros son conductores metálicos.
Una película de nanotubos de quiralidad perfectamente alineados tendría propiedades electrónicas específicas. Controlar la quiralidad permitiría películas sintonizables, dijo Kono, pero los nanotubos crecen en lotes de tipos aleatorios.
Por ahora, los investigadores de Rice utilizan un proceso simple desarrollado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología para separar los nanotubos por quiralidad. Aunque no es perfecto, fue lo suficientemente bueno como para permitir a los investigadores hacer películas enriquecidas con nanotubos de diferentes tipos y diámetros yluego haga polarizadores de terahercios y transistores electrónicos.
El laboratorio de Rice descubrió la técnica de filtración a fines de 2013 cuando los estudiantes graduados y los autores principales Xiaowei He y Weilu Gao agregaron inadvertidamente demasiada agua a una suspensión de tensioactivo de nanotubos antes de alimentarla a través de un filtro asistido por vacío. Los tensioactivos mantienen los nanotubosen una solución de aglomeración.
La película que se formó en el filtro de papel requirió más investigación. "Weilu revisó la película con un microscopio electrónico de barrido y vio algo extraño", dijo. En lugar de caer al azar en el papel como palitos, los nanotubos, millones deellos - se habían unido en apretadas filas alineadas.
"Esa primera imagen nos dio una pista de que podríamos tener algo totalmente diferente", dijo. Un año y más de 100 películas más tarde, los estudiantes y sus colegas habían refinado su técnica para hacer obleas de nanotubos de hasta una pulgada de ancho limitadosolo por el tamaño de su equipo y de cualquier grosor, desde unos pocos hasta cientos de nanómetros
Otros experimentos revelaron que cada elemento importaba: el tipo de papel de filtro, la presión de vacío y la concentración de nanotubos y tensioactivo. Los nanotubos de cualquier quiralidad y diámetro funcionaban, pero cada uno requería ajustes a los otros elementos para optimizar la alineación.
Los investigadores dijeron que las películas se pueden separar del papel y lavar y secar para su uso.
Sospechan que los nanotubos de carbono con paredes múltiples y los nanotubos sin carbono como el nitruro de boro también funcionarían.
El coautor Wade Adams, miembro de la facultad principal de Rice que se especializa en ciencia de polímeros, dijo que el descubrimiento es un paso adelante en una larga búsqueda de estructuras alineadas.
"Formaron lo que se llama un monodominio en la tecnología de cristal líquido, en el que todas las moléculas rígidas se alinean en la misma dirección", dijo Adams. "Es sorprendente. El fallecido premio Nobel de Arroz Rick Smalley y yo trabajamos muy durodurante años para hacer un solo cristal de nanotubos, pero estos estudiantes lo han hecho de una manera que ninguno de nosotros había imaginado ".
¿Por qué se alinean los nanotubos? Kono dijo que el equipo aún está investigando la mecánica de la nucleación, es decir, cómo se juntan los primeros nanotubos en el papel ". Creemos que los nanotubos caen al azar al principio, pero aún puedense desliza sobre el papel ", dijo." La fuerza de Van der Waals los une, y naturalmente buscan su estado de energía más baja, que está alineado ". Debido a que los nanotubos varían en longitud, los investigadores sospechan que los voladizos fuerzan otros tubospara alinearse a medida que se unen a la matriz.
Los investigadores descubrieron que sus películas completas podrían ser modeladas con técnicas de litografía estándar. Esa es otra ventaja para los fabricantes, dijo Kono, quien comenzó a escuchar rumores sobre el descubrimiento meses antes del lanzamiento del periódico.
"Di una charla invitada sobre nuestro trabajo en una conferencia de nanotubos de carbono, y muchas personas ya están tratando de reproducir nuestros resultados", dijo. "Recibí una respuesta tan entusiasta justo después de mi charla. Todos pidieron la receta."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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