(PhysOrg.com) -- I ricercatori hanno superato un grosso ostacolo negli sforzi per utilizzare minuscole strutture chiamate nanotubi di carbonio per creare una nuova classe di elettronica che sarebbe più veloce e più piccola dei transistor convenzionali a base di silicio.

Nanotubi di carbonio, scoperti all'inizio degli anni '90, potrebbe rendere possibile più potente, computer compatti ed efficienti dal punto di vista energetico, così come "nanofili" ultrasottili per circuiti elettronici. I nanotubi potrebbero essere ideali per l'elettronica futura perché conducono l'elettricità in modo più efficiente di qualsiasi altro metallo, ma la loro applicazione pratica richiede che siano fabbricati secondo standard specifici.

Ora gli scienziati della Divisione Scienza dei Materiali presso l'Honda Research Institute USA Inc., La Purdue University e l'Università di Louisville hanno imparato a controllare la formazione dei nanotubi di carbonio in modo che abbiano proprietà metalliche o semiconduttive.

"Questo problema su come controllare se si dispone di un metallo o di un semiconduttore è l'ostacolo chiave nella realizzazione di transistor con nanotubi di carbonio, "ha detto Eric Stach, professore associato di ingegneria dei materiali alla Purdue. "L'elettronica a stato solido si basa sul fatto che è possibile controllare le proprietà semiconduttive del silicio".

I risultati saranno dettagliati in un documento di ricerca che apparirà venerdì (2 ottobre) sulla rivista Scienza . La ricerca è guidata da Avetik Harutyunyan, scienziato principale presso l'Honda Research Institute USA Inc. a Columbus, Ohio.

"Questo è il primo rapporto che mostra che possiamo controllare in modo abbastanza sistematico se i nanotubi di carbonio sono metallici o semiconduttori, "Harutyunyan ha detto. "Abbiamo un tasso di successo del 91% nella produzione di nanotubi metallici".

I transistor a base di silicio controllano il flusso di elettroni utilizzando combinazioni specifiche di metalli e semiconduttori. I ricercatori stanno lavorando per imparare a controllare con precisione le proprietà dei nanotubi di carbonio in modo che possano essere utilizzati sia come semiconduttori che come componenti metallici dei transistor.

"In genere, il carbonio non è un metallo, ma i nanotubi di carbonio con una configurazione particolare sono, " ha detto Stac.

semiconduttori, come il silicio, a volte si comportano da conduttori e a volte da isolanti, mentre i metalli si comportano sempre come conduttori. I ricercatori sanno da diversi anni che i nanotubi di carbonio si formano casualmente in modo che a volte siano metallici e talvolta semiconduttori, ma fino ad ora non se ne conoscevano le ragioni precise.

I nanotubi di carbonio possono essere visualizzati come fogli di atomi di carbonio dello spessore di uno strato e arrotolati in tubi. Proprio come il passo di una vite, possono avere una configurazione diversa a seconda di come si arrotolano, e questa configurazione determina se conducono come un metallo o un semiconduttore.

I nanotubi vengono "cresciuti" in una camera a vuoto esponendo le particelle di ferro al gas metano. Il gas contiene carbonio e idrogeno, e le particelle di ferro fungono da catalizzatore per liberare carbonio dal gas. Le particelle vengono riscaldate a circa 800 gradi Celsius, o più di 1, 400 gradi Fahrenheit. Con l'aumentare dell'esposizione, il ferro alla fine contiene troppo carbonio e diventa "sovrasaturo". Di conseguenza, il carbonio precipita come solido, causando l'inizio della formazione del nanotubo.

I ricercatori Honda hanno appreso di recente che potevano controllare se i nanotubi di carbonio diventano metallo o semiconduttore utilizzando argon o elio come "gas di trasporto" per aiutare a far fluire il metano nella camera in presenza di acqua.

I ricercatori di Louisville hanno utilizzato la tecnica per produrre grandi quantità di nanotubi e hanno effettuato accurate misurazioni elettriche per confermare se i nanotubi erano metallici o semiconduttori.

I ricercatori della Purdue hanno scattato immagini ad alta risoluzione utilizzando uno strumento chiamato microscopio elettronico a trasmissione per determinare perché il processo funziona.

"Lo strumento consente di acquisire immagini durante la formazione dei nanotubi, " Ha detto Stach. "Possiamo vedere la struttura atomica dei materiali mentre osserviamo anche come l'ambiente li influenza".

La parte Purdue della ricerca ha sede presso il Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park dell'università.

"Questi risultati forniscono una finestra sull'intima relazione tra la struttura atomica della nanoparticella del catalizzatore e il nanotubo di carbonio che cresce da quella nanoparticella del catalizzatore, " disse Timothy D. Sands, Mary Jo e Robert L. Kirk Direttore del Birck Nanotechnology Center. "I risultati mostrano anche che la struttura atomica della nanoparticella del catalizzatore può essere controllata dal gas di trasporto ambientale, un collegamento che può rappresentare il primo passo verso una soluzione a una delle sfide più fastidiose della nanotecnologia".

I ricercatori della Purdue hanno appreso che se si usa l'elio al posto dell'argon, le particelle di ferro hanno una dimensione e una forma specifiche e hanno anche sfaccettature pronunciate, ma le sfaccettature diminuiscono e la dimensione delle particelle varia quando si usa l'argon.

"Le sfaccettature si formano quasi ad angolo retto, ma quando si passa dall'elio all'argon queste sfaccettature si completano, — disse Stach. — L'elio e la presenza di queste forti sfaccettature, insieme alla dimensione delle particelle di ferro, sembra essere ciò che consente la creazione dei nanotubi metallici.

"I nostri risultati indicano che potresti essere in grado di controllare le dimensioni e la forma del catalizzatore in modo sufficiente per controllare la struttura e quindi la conduttività dei nanotubi. È la prima dimostrazione di una relazione deterministica tra lo stato del catalizzatore e la struttura risultante dei nanotubi. "

I ricercatori non sono sicuri del ruolo svolto dall'acqua nel processo.

"L'acqua potrebbe favorire la formazione delle sfaccettature, e l'argon potrebbe in qualche modo impedire all'acqua di farlo, ma sono necessarie ulteriori ricerche per determinarlo, " ha detto Stac.

Il lavoro è in corso ed è finanziato da Honda.

Fonte:Purdue University (notizie:web)