Es könnte wie eine Rolle Hühnerdraht aussehen, aber dieser winzige Zylinder aus Kohlenstoffatomen – zu klein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden – könnte eines Tages zur Herstellung elektronischer Geräte verwendet werden, von Nachtsichtbrillen und Bewegungsmeldern bis hin zu effizienteren Solarzellen. dank Techniken, die von Forschern der Duke University entwickelt wurden.
Ihre Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Kohlenstoffnanoröhren wurden erstmals Anfang der 1990er Jahre entdeckt und bestehen aus einzelnen Schichten von Kohlenstoffatomen, die wie ein Strohhalm aufgerollt sind.
Carbon ist nicht gerade ein neues Material. Alles Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff. Es ist das gleiche Material, das auch in Diamanten, Kohle und Bleistiftminen zu finden ist. Das Besondere an Kohlenstoffnanoröhren sind ihre bemerkenswerten Eigenschaften. Diese winzigen Zylinder sind stärker als Stahl und dennoch so dünn, dass 50.000 davon der Dicke eines menschlichen Haares entsprechen würden.
Sie sind außerdem erstaunlich gut darin, Strom und Wärme zu leiten, weshalb Kohlenstoff-Nanoröhren im Streben nach schnellerer, kleinerer und effizienterer Elektronik seit langem als potenzieller Ersatz für Silizium angepriesen werden.
Doch die Herstellung von Nanoröhren mit spezifischen Eigenschaften ist eine Herausforderung.
Abhängig davon, wie sie aufgerollt sind, gelten einige Nanoröhren als metallisch, was bedeutet, dass Elektronen mit beliebiger Energie durch sie fließen können. Das Problem ist, dass sie nicht ausgeschaltet werden können. Dies schränkt ihre Verwendung in der digitalen Elektronik ein, die entweder ein- oder ausgeschaltete elektrische Signale verwendet, um binäre Zustände zu speichern; Genau wie Silizium-Halbleitertransistoren zwischen 0 und 1 Bit wechseln, um Berechnungen durchzuführen.
Duke-Chemieprofessor Michael Therien und sein Team sagen, sie hätten einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen. Dabei wird ein metallisches Nanoröhrchen, das immer Strom durchlässt, in eine halbleitende Form umgewandelt, die ein- und ausgeschaltet werden kann.
Das Geheimnis liegt in speziellen Polymeren – Substanzen, deren Moleküle in langen Ketten miteinander verbunden sind –, die sich in einer geordneten Spirale um die Nanoröhre winden, „als würde man ein Band um einen Bleistift wickeln“, sagte Erstautor Francesco Mastrocinque, der seinen Doktortitel in Chemie erlangte . in Theriens Labor bei Duke.
Der Effekt sei reversibel, fanden sie heraus. Das Einwickeln der Nanoröhre in ein Polymer verändert ihre elektronischen Eigenschaften von einem Leiter zu einem Halbleiter. Wird die Nanoröhre jedoch ausgepackt, kehrt sie in ihren ursprünglichen metallischen Zustand zurück.
Die Forscher zeigten auch, dass sie durch die Änderung der Art des Polymers, das eine Nanoröhre umgibt, neue Arten von halbleitenden Nanoröhren entwickeln könnten. Sie können Strom leiten, aber nur, wenn die richtige Menge externer Energie zugeführt wird.
„Diese Methode bietet ein subtiles neues Werkzeug“, sagte Therien. „Es ermöglicht die Herstellung eines Halbleiters durch Design.“
Praktische Anwendungen der Methode liegen wahrscheinlich noch in weiter Ferne. „Wir sind weit davon entfernt, Geräte herzustellen“, fügte Therien hinzu.
Mastrocinque und seine Co-Autoren sagen, die Arbeit sei wichtig, weil es eine Möglichkeit sei, Halbleiter zu entwerfen, die Elektrizität leiten können, wenn sie von Licht bestimmter niederenergetischer Wellenlängen getroffen werden, die zwar üblich, aber für das menschliche Auge unsichtbar sind.
In Zukunft könnte die Arbeit des Duke-Teams beispielsweise anderen dabei helfen, Nanoröhren zu entwickeln, die als Infrarotstrahlung freigesetzte Wärme erkennen, um im Schatten verborgene Personen oder Fahrzeuge sichtbar zu machen. Wenn Infrarotlicht – wie es von Warmblütern emittiert wird – auf einen dieser Nanoröhren-Polymer-Hybride trifft, erzeugt er ein elektrisches Signal.
Oder nehmen Sie Solarzellen: Mit dieser Technik könnten Nanoröhren-Halbleiter hergestellt werden, die einen breiteren Wellenlängenbereich in Elektrizität umwandeln, um mehr Sonnenenergie zu nutzen.
Aufgrund der spiralförmigen Hülle auf der Nanoröhrenoberfläche könnten diese Strukturen auch ideale Materialien für neue Formen der Datenverarbeitung und Datenspeicherung sein, die zusätzlich zu ihrer Ladung die Spins von Elektronen nutzen, um Informationen zu verarbeiten und zu transportieren.
Mehr Informationen:
Francesco Mastrocinque et al., Bandlückenöffnung metallischer einwandiger Kohlenstoffnanoröhren durch nichtkovalente Symmetriebrechung, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2317078121