(PhysOrg.com) -- Gli scienziati non hanno problemi a creare un serraglio di oggetti di dimensioni nanometriche:fili, tubi, cinghie, e persino strutture ad albero. Ciò che a volte non sono stati in grado di fare è spiegare con precisione come si formano quegli oggetti nei calderoni di vapore e liquido in cui sono fatti.

Ora un team guidato dal chimico Song Jin dell'Università del Wisconsin-Madison, scrivendo questa settimana (23 aprile, 2010) sulla rivista Scienza , mostra che un semplice difetto cristallino noto come "dislocazione a vite" guida la crescita di nanotubi cavi di ossido di zinco di appena pochi milionesimi di centimetro di spessore.

La scoperta è importante perché fornisce una nuova visione dei processi che guidano la formazione delle strutture fabbricate più piccole, una sfida significativa nelle nanoscienze e nelle nanotecnologie. "Pensiamo che questo lavoro fornisca un quadro teorico generale per controllare la crescita di nanofili o nanotubi senza utilizzare catalizzatori metallici che possono essere generalmente applicabili a molti materiali, "dice Jin, un professore di chimica alla UW-Madison.

Tali materiali e le strutture lillipuziane che gli scienziati scolpiscono hanno già trovato ampie applicazioni in cose come l'elettronica, energia solare, batteria e tecnologia laser, e rilevamento chimico e biologico. Espandendo ulteriormente la teoria su come si formano le minuscole strutture, ora dovrebbe essere possibile per gli scienziati sviluppare nuovi metodi per produrre in serie oggetti di dimensioni nanometriche utilizzando una varietà di materiali diversi.

Il metodo descritto da Jin e dai suoi colleghi dipende da ciò che gli scienziati chiamano dislocazione della vite. Le dislocazioni sono fondamentali per la crescita e le caratteristiche di tutti i materiali cristallini. Come suggerisce il loro nome, questi difetti portano alla creazione di gradini a spirale su una faccia di cristallo altrimenti impeccabile. Quando gli atomi si posano sulla superficie del cristallo, formano una struttura sorprendentemente simile nell'aspetto alle rampe a spirale delle strutture di parcheggio multipiano. In lavori precedenti, Jin e il suo gruppo di ricerca hanno mostrato che le dislocazioni delle viti guidano la crescita di strutture di nanofili unidimensionali che sembravano piccoli pini. Quella, dice Jin, era un indizio fondamentale per comprendere la cinetica della crescita spontanea dei nanotubi.

La chiave per capire come sfruttare il difetto per realizzare nanostrutture in modo razionale, Jin spiega, è sapere che quando gli atomi si raccolgono su una superficie di una spirale di dislocazione, la tensione associata alle dislocazioni delle viti si accumula nelle minuscole strutture che creano.

Si scopre che "rendere la struttura vuota e farla attorcigliare sono due buoni modi per alleviare tale tensione e stress, " Jin spiega. "In alcuni casi, la grande energia di deformazione della dislocazione della vite contenuta all'interno del nanomateriale impone che il materiale svuoti il ​​suo centro attorno alla dislocazione, determinando così la formazione spontanea di nanotubi."

Il fenomeno descritto nel nuovo lavoro del Wisconsin differisce in modo significativo dai tradizionali meccanismi di realizzazione di nanostrutture cave. Gli scienziati ora usano modelli per "modellare" i nanotubi o, in alternativa, un processo di diffusione per convertire un materiale in un altro con un nucleo cavo. I nanotubi di carbonio sono realizzati, essenzialmente, arrotolando un singolo strato a nido d'ape di atomi di carbonio.

I fenomeni descritti dal team del Wisconsin, Jin aggiunge, dovrebbe applicarsi a materiali oltre l'ossido di zinco:"La comprensione della formazione dei nanotubi ci aiuterà sicuramente a comprendere i fenomeni correlati in altri materiali".

Raffinato, la nuova conoscenza potrebbe infine essere trasformata su larga scala, produzione a basso costo di nanomateriali per un'ampia gamma di applicazioni. Il più promettente, dice Jin, è l'area delle energie rinnovabili in cui grandi quantità di tali materiali possono essere impiegate per convertire la luce solare in elettricità, e fornire nuove materie prime per elettrodi di batterie e dispositivi termoelettrici.