Questa è un'impressione artistica del nuovo nanocavo coassiale della Rice University, che è circa mille volte più piccolo di un capello umano. Credito:Zheng Liu/Rice University
Grazie ad una piccola serendipità, i ricercatori della Rice University hanno creato un minuscolo cavo coassiale che è circa mille volte più piccolo di un capello umano e ha una capacità maggiore rispetto ai microcondensatori precedentemente riportati.
Il nanocavo, che è descritto questa settimana in Comunicazioni sulla natura , è stato prodotto con tecniche pionieristiche nel nascente campo di ricerca del grafene e potrebbe essere utilizzato per costruire sistemi di accumulo di energia di prossima generazione. Potrebbe anche trovare impiego nel cablaggio di componenti di processori lab-on-a-chip, ma la sua scoperta è dovuta in parte al caso.
"Non ci aspettavamo di creare questo quando abbiamo iniziato, ", ha affermato il coautore dello studio Jun Lou, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Rice. "All'inizio, eravamo solo curiosi di vedere cosa sarebbe successo elettricamente e meccanicamente se avessimo preso dei piccoli fili di rame noti come interconnessioni e li avessimo coperti con un sottile strato di carbonio".
Il minuscolo cavo coassiale è notevolmente simile nella composizione a quelli che trasportano i segnali della televisione via cavo in milioni di case e uffici. Il cuore del cavo è un solido filo di rame circondato da una sottile guaina di ossido di rame isolante. Un terzo strato, un altro conduttore, lo circonda. Nel caso dei cavi TV, il terzo strato è di nuovo di rame, ma nel nanocavo è un sottile strato di carbonio dello spessore di pochi atomi. Il nanocavo coassiale è di circa 100 nanometri, o 100 miliardesimi di metro, largo.
Mentre il cavo coassiale è un pilastro delle telecomunicazioni a banda larga, il tre strati, metallo-isolante-struttura metallica può essere utilizzato anche per costruire dispositivi di accumulo di energia chiamati condensatori. A differenza delle batterie, che si basano su reazioni chimiche sia per immagazzinare che per fornire elettricità, i condensatori utilizzano campi elettrici. Un condensatore contiene due conduttori elettrici, uno negativo e l'altro positivo, che sono separati da un sottile strato di isolamento. Separare i conduttori di carica opposta crea un potenziale elettrico, e tale potenziale aumenta all'aumentare delle cariche separate e al diminuire della distanza tra loro – occupata dallo strato isolante. La proporzione tra la densità di carica e la distanza di separazione è nota come capacità, ed è la misura standard dell'efficienza di un condensatore.
Lo studio riporta che la capacità del nanocavo è almeno 10 volte maggiore di quanto sarebbe previsto con l'elettrostatica classica.
"L'aumento è molto probabilmente dovuto agli effetti quantistici che si verificano a causa delle piccole dimensioni del cavo, ", ha affermato il coautore dello studio Pulickel Ajayan, Benjamin M. di Rice e Mary Greenwood Anderson Professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali.
Il team di scienziati dei materiali che ha creato il nanocavo coassiale di Rice includeva (da sinistra) Pulickel Ajayan, giugno Lou, Zheng Liu e Robert Vajtai. CREDITO:Jeff Fitlow/Rice University
I laboratori di Lou e Ajayan sono specializzati nella fabbricazione e nello studio di materiali e nanodispositivi su nanoscala che esibiscono questi tipi di intriganti effetti quantistici, ma Ajayan e Lou hanno detto che c'era un elemento di fortuna nella scoperta del nanocavo.
Quando il progetto è iniziato 18 mesi fa, Il ricercatore post-dottorato sul riso Zheng Liu, il co-autore principale dello studio, destinato a realizzare fili di rame puro ricoperti di carbonio. Le tecniche per realizzare i fili, che sono larghi solo pochi nanometri, sono ben consolidati perché i fili sono spesso usati come "interconnessioni" nell'elettronica all'avanguardia. Liu ha utilizzato una tecnica nota come deposizione chimica da vapore (CVD) per coprire i fili con un sottile rivestimento di carbonio. La tecnica CVD viene anche utilizzata per far crescere fogli di carbonio dello spessore di un singolo atomo chiamati grafene su film di rame.
"Quando le persone producono il grafene, di solito vogliono studiare il grafene e non sono molto interessati al rame, " Ha detto Lou. "E 'solo usato una piattaforma per fare il grafene."
Quando Liu ha eseguito alcuni test elettronici sui suoi primi campioni, i risultati sono stati lontani da quello che si aspettava.
"Alla fine abbiamo scoperto che un sottile strato di ossido di rame, che funge da strato dielettrico, si stava formando tra il rame e il carbonio, " disse Liù.
Esaminando più da vicino altri studi, il team ha scoperto che alcuni altri scienziati avevano menzionato l'ossidazione che si verifica sui substrati di rame durante la produzione di grafene.
"È abbastanza ben documentato, ma non siamo riusciti a trovare nessuno che abbia fatto un esame dettagliato delle proprietà elettroniche di interfacce così complesse, "ha detto Ajayan.
La capacità del nuovo nanocavo è fino a 143 microfarad per centimetro quadrato, migliore dei migliori risultati precedenti dei microcondensatori.
Lou ha detto che potrebbe essere possibile costruire un dispositivo di accumulo di energia su larga scala disponendo milioni di minuscoli nanocavi fianco a fianco in grandi array.
"Il cavo su scala nanometrica potrebbe essere utilizzato anche come linea di trasmissione per segnali a radiofrequenza su scala nanometrica, " ha detto Liu. "Questo potrebbe essere utile come elemento fondamentale in sistemi elettromeccanici di dimensioni micro e nano come i dispositivi lab-on-a-chip".