Uno dei problemi di vecchia data del lavoro con i nanomateriali, sostanze su scala molecolare e atomica, è controllarne le dimensioni. Quando le loro dimensioni cambiano, cambiano anche le loro proprietà. Ciò suggerisce che un controllo uniforme sulle dimensioni è fondamentale per utilizzarli in modo affidabile come componenti nell'elettronica.

Dirlo in un altro modo, "se non controlli le dimensioni, avrai disomogeneità nelle prestazioni, " dice Mark Hersam. "Non vuoi che alcuni dei tuoi cellulari funzionino, e altri no."

Hersam, un professore di ingegneria delle scienze dei materiali, chimica e medicina alla Northwestern University, ha sviluppato un metodo per separare i nanomateriali per dimensione, fornendo quindi una consistenza in proprietà altrimenti non disponibili. Inoltre, la soluzione è arrivata direttamente dalle scienze della vita:biochimica, infatti.

La tecnica, nota come ultracentrifugazione in gradiente di densità, è un processo vecchio di decenni utilizzato per separare le biomolecole. Lo scienziato finanziato dalla National Science Foundation (NSF) ha teorizzato correttamente di poterlo adattare per separare i nanotubi di carbonio, fogli laminati di grafene (un singolo strato atomico di atomi di carbonio legati esagonale), da tempo riconosciuti per le loro potenziali applicazioni in computer e tablet, smartphone e altri dispositivi portatili, fotovoltaico, batterie e bioimmagini.

La tecnica si è rivelata così efficace che Hersam e il suo team ora detengono due dozzine di brevetti in attesa o rilasciati, e nel 2007 ha fondato la propria azienda, NanoIntegris, iniziato con un $ 150, 000 Sovvenzione NSF per piccole imprese. L'azienda è stata in grado di aumentare la produzione del 10, 000 volte, e attualmente conta 700 clienti in 40 paesi.

"Ora abbiamo la capacità di produrre dieci volte la domanda mondiale di questo materiale, "Dice Hersam.

NSF sostiene Hersam con $640, 000 borse di ricerca individuali assegnate nel 2010 per cinque anni. Anche, dirige il Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) della Northwestern, quali fondi NSF, compreso il supporto per circa 30 docenti/ricercatori.

Hersam ha anche recentemente ricevuto una delle prestigiose borse di studio MacArthur di quest'anno, un $ 625, 000 premio senza vincoli, popolarmente conosciuta come una borsa di studio "genio". Questi vanno a persone di talento che hanno mostrato straordinaria originalità e dedizione nei loro campi, e hanno lo scopo di incoraggiare i beneficiari a esplorare liberamente i propri interessi senza timore di correre rischi.

"Questo ci permetterà di correre più rischi nella nostra ricerca, poiché non ci sono "traguardi" che dobbiamo incontrare, " lui dice, riferendosi a una richiesta frequente di molti finanziatori. "Ho anche un forte interesse per l'insegnamento, quindi userò i fondi per influenzare il maggior numero possibile di studenti".

Il processo di separazione dei nanotubi di carbonio, che Hersam ha sviluppato, inizia con una provetta da centrifuga. In quello, "carichiamo una soluzione a base d'acqua e introduciamo un additivo che ci permette di regolare la densità di galleggiamento della soluzione stessa, " lui spiega.

"Ciò che creiamo è un gradiente nella densità di galleggiamento della soluzione acquosa, con bassa densità nella parte superiore e alta densità nella parte inferiore, " continua. "Quindi carichiamo i nanotubi di carbonio e li mettiamo nella centrifuga, che guida i nanotubi attraverso il gradiente. I nanotubi si muovono attraverso il gradiente finché la loro densità non corrisponde a quella del gradiente. Il risultato è che i nanotubi formano bande separate nella provetta da centrifuga per densità. Poiché la densità del nanotubo è funzione del suo diametro, questo metodo consente la separazione per diametro."

Una proprietà che distingue questi materiali dai semiconduttori tradizionali come il silicio è che sono meccanicamente flessibili. "I nanotubi di carbonio sono altamente resilienti, " dice Hersam. "Questo ci permette di integrare l'elettronica su substrati flessibili, come i vestiti, scarpe, e cinturini da polso per il monitoraggio in tempo reale della diagnostica biomedica e della performance atletica. Questi materiali hanno la giusta combinazione di proprietà per realizzare dispositivi elettronici indossabili."

Lui e i suoi colleghi stanno anche lavorando su tecnologie energetiche, come celle solari e batterie "che possono migliorare l'efficienza e ridurre il costo delle celle solari, e aumentare la capacità e ridurre il tempo di ricarica delle batterie, " dice. "Le batterie e le celle solari risultanti sono anche meccanicamente flessibili, e quindi può essere integrato con l'elettronica flessibile."

Probabilmente si dimostreranno anche impermeabili. "Si scopre che i nanomateriali di carbonio sono idrofobici, così l'acqua scorrerà via da loro, " lui dice.

I materiali su scala nanometrica ora "possono realizzare nuove proprietà e combinazioni di proprietà senza precedenti, " aggiunge. "Questo non solo migliorerà le tecnologie attuali, ma abilitare nuove tecnologie in futuro."