(Phys.org) —Due ricercatori laureati presso la School of Engineering hanno coltivato alcuni dei nanotubi metallici più piccoli del mondo; una svolta scientifica significativa che il loro consulente di facoltà afferma è una testimonianza dei solidi programmi di istruzione universitaria di UConn.

Lavorando sotto la guida del professor Hanchen Huang, ricercatore post-dottorato Xiaobin Niu e Ph.D. Il candidato Stephen Stagon ha aperto nuove strade quando hanno sviluppato il quadro teorico per la crescita di nanobarre metalliche utilizzando un processo noto come deposizione fisica da vapore.

I ricercatori hanno quindi utilizzato tale conoscenza per coltivare con successo nanotubi di metallo nobile di 10 nanometri di diametro, che sono i più piccoli mai registrati utilizzando la deposizione fisica da vapore. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica , la rivista di fisica più importante del mondo.

"Questo apre davvero le porte a una moltitudine di tecnologie, "dice Huang, Professore del Fondo per l'energia pulita del Connecticut di UConn in Energia sostenibile e autore senior dello studio. "Senza il quadro teorico, non saremmo stati in grado di realizzare questi piccoli nanotubi perché non avevamo una guida scientifica. Questa conoscenza dovrebbe avere un grande impatto tecnologico nell'elettronica, energia, e manifatturiero."

I nanotubi di metallo nobile – nanotubi realizzati con metalli resistenti alla corrosione e all'ossidazione – possono essere utilizzati nella microelettronica, alimentando tutto, dalle celle solari ai telefoni cellulari. In precedenza, il diametro minimo dei nanotubi metallici era teoricamente sconosciuto, quindi non c'era un obiettivo chiaro per gli esperimenti e nessuna visione su come avvicinarsi all'obiettivo. Mentre alcuni ricercatori hanno coltivato nanotubi metallici di diametro inferiore a 50 nanometri, il loro successo è stato in gran parte basato sul caso, osservazione, e testimonianze aneddotiche. Si sono verificati problemi durante la duplicazione affidabile del processo per materiali diversi, e le aste spesso si fondevano insieme e diventavano una pellicola quando i loro diametri si riducevano vicino alla gamma di 10 nanometri.

Lo sviluppo di una teoria in forma chiusa per la crescita delle nanobarre metalliche è il culmine di 10 anni di lavoro per Huang, che è stato continuamente supportato da borse di ricerca dal programma di base dell'Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Le sovvenzioni rinnovabili sono progettate per supportare la ricerca fondamentale che aiuta gli scienziati a comprendere meglio, prevedere, e infine controllare la materia e l'energia a livello elettronico, atomico, e livelli molecolari.

Niu ha trascorso più di un anno a definire le proprietà scientifiche della crescita delle nanobarre attraverso la formulazione matematica e la modellazione computazionale, stratificando accuratamente atomi su atomi per vedere quale processo funzionava meglio. Stagno, nel frattempo, condotto esperimenti di convalida di accompagnamento presso UConn, così come al Centro per le nanotecnologie integrate presso il Los Alamos National Laboratory.

Un momento chiave è arrivato quando il team ha scoperto che una teoria classica di vecchia data per la crescita dei nanorod era imperfetta. La teoria sosteneva che solo i passaggi superficiali a strato singolo erano stabili, e i passaggi di superficie a più strati non erano, portando all'impossibilità di una crescita di nanorod estremamente piccola all'interno della teoria precedente. Ma Huang, Niu, e Stagon trovò proprio l'opposto, che i passaggi superficiali multistrato sono cineticamente stabili, e dettano come si posizionano i successivi strati di adatomi, uno sviluppo chiave per la produzione di nanotubi di metallo nobile di 10 nanometri di diametro o meno.

Alterando altre condizioni di crescita come il tipo di substrato, l'angolo di deposizione, e la temperatura utilizzata nel processo, il team di ricerca è stato in grado di coltivare con successo nanotubi con un diametro di circa 10 nanometri e chiaramente separati l'uno dall'altro, un altro tratto importante che aiuta a consentire le loro prestazioni.

"Quando produci nanotubi metallici di 10 nanometri di diametro o meno, i nanoeffetti prendono il sopravvento e inizi a sfruttare quelle proprietà su nanoscala di cui tutti scrivono e parlano, "dice Stagone, un nativo del Connecticut che era uno dei migliori studenti nella sua classe di ingegneria meccanica UConn quando si è laureato nel 2009. Stagon è anche il destinatario di una prestigiosa borsa di studio federale Graduate Assistance in Areas of National Need (GAANN), che ha parzialmente supportato la sua ricerca sui nanorod.

Più piccolo è sempre meglio quando si tratta di nanotubi metallici, dice Huang. I metalli nobili subiscono cambiamenti fondamentali alla scala del diametro di 10 nanometri.

"Quando pensiamo all'oro, vediamo che il suo colore è oro, " dice Huang. "Ma quando scendi sotto i 10 nanometri di diametro, inizi a vedere l'oro viola, oro blu, oro verde, e tutti i tipi di colori. Quando scendi sotto i 10 nanometri, l'elemento diventa anche chimicamente reattivo. Le sue proprietà cambiano. Puoi iniziare a controllare la sua conduttività elettrica."

Anche avere nanotubi chiaramente separati è fondamentale, dice Huang. Quando le aste sono ben intrecciate tra loro, è difficile aggiungere qualcosa a loro individualmente. Ma se sono ben separati, puoi mettere un anello o un rivestimento su di loro, valorizzandone ulteriormente le proprietà e le potenzialità.

"Questo era qualcosa che non era possibile prima, " dice Huang. "Con la scoperta, i nostri colleghi possono ora rivestire nanotubi più economici con un catalizzatore molto costoso per cose come le tecnologie avanzate delle celle a combustibile. Questo è molto eccitante".

Max G. Lagally, Erwin W. Mueller professore e professore Bascom di scienze delle superfici presso l'Università del Wisconsin-Madison, afferma che il lavoro di Huang con le nanostrutture metalliche ha migliorato la comprensione dei ricercatori del processo di crescita.

"Hanchen ha dedicato gran parte del suo impegno negli ultimi 10 anni alla comprensione a livello atomistico della crescita delle nanostrutture metalliche, e ha mostrato come, in particolare, i passi mediano la crescita…, " dice Lagally. "Il professor Huang ha portato questi concetti un ulteriore passo avanti per dimostrare come l'esistenza di passaggi può essere utilizzata per controllare la dimensione dei nanotubi, in particolare come renderli estremamente sottili. Il lavoro è affascinante e si basa su solidi principi teorici."

L'obiettivo principale del team di ricerca era definire il quadro scientifico alla base della crescita delle nanobarre metalliche e mostrare, teoricamente, come potrebbero essere coltivate nanotubi molto sottili. In realtà, la crescita di nanotubi nettamente separati di 10 nanometri di diametro è stata un'ulteriore ricompensa, che hanno quasi mancato.

Una delle stranezze di lavorare con nanobarre al livello di 10 nanometri di diametro è che difficilmente puoi vederle sotto la maggior parte dei microscopi. Anche, quando i nanotubi d'oro citati nello studio sono stati realizzati per la prima volta, sembravano verdi. Quando Stagon ha posto il materiale sotto un microscopio elettronico a scansione per ottenere una visione migliore, all'inizio tutto ciò che vide fu un campo grigio.

"Sta davvero testando il limite di risoluzione di qualsiasi microscopio elettronico a scansione, " Dice Stagon. "Fortunatamente, il microscopio del Center for Clean Energy Engineering di UConn è tra i migliori."

Stagon afferma che l'esperienza gli ha insegnato ad apprezzare appieno i vantaggi della scienza ingegneristica di base e quanto sia cruciale per promuovere la tecnologia e l'industria. Il suo obiettivo a lungo termine è diventare un professore in modo da poter trasmettere l'importanza della scienza di base ad altri ingegneri in erba.

Niu dice che il progetto è "il lavoro più importante ed emozionante" che abbia mai fatto.

"Ci sono molte derivazioni in matematica, "dice Niu, che è stato recentemente promosso a professore assistente di ricerca. "Quando finalmente trovi l'equazione, quando lo guardi ed è così semplice e bello, e poi fai delle simulazioni e i risultati rispecchiano l'equazione, Non riesco a descrivere quanto ti faccia sentire felice".

Huang afferma che il successo di Stagon e Niu riflette l'impegno di UConn e della sua facoltà senior nel reclutare e supportare studenti laureati e ricercatori post-dottorato di prim'ordine. I funzionari federali hanno riconosciuto la forza dei programmi di laurea di UConn emettendo 13 borse di studio GAANN a studenti laureati di UConn negli ultimi sette anni.

"Prestiamo molta attenzione alla nostra formazione universitaria e agli studenti post-dottorato, " aggiunge Huang. "Non solo siamo riusciti ad attrarre studenti americani e internazionali di grande talento, abbiamo anche molto successo nel trattenerli attraverso prestigiose borse di studio e altri supporti. Sono fondamentali sia per il nostro successo di ricerca che per la nostra missione universitaria, perché dopo tutto siamo un'istituzione educativa e la nostra missione è fornire un ambiente per la prossima generazione di ingegneri e prepararli per le loro future carriere".