Un semplice processo di filtrazione ha aiutato i ricercatori della Rice University a creare soluzioni flessibili, film su scala wafer di nanotubi di carbonio altamente allineati e ravvicinati.

Scienziati di Rice, con il supporto del Los Alamos National Laboratory, hanno realizzato pellicole larghe un pollice di densamente imballate, nanotubi di carbonio a parete singola arricchiti con chiralità attraverso un processo rivelato oggi in Nanotecnologia della natura .

Nella giusta soluzione di nanotubi e nelle giuste condizioni, i tubi si assemblano a milioni in lunghe file che sono allineate meglio di quanto si ritenesse possibile, hanno riferito i ricercatori.

I film sottili offrono la possibilità di realizzare dispositivi elettronici e fotonici flessibili (manipolazione della luce), disse il fisico del riso Junichiro Kono, il cui laboratorio ha condotto lo studio. Pensa a un chip pieghevole per computer, piuttosto che un fragile silicio, e il potenziale diventa chiaro, Egli ha detto.

"Una volta che abbiamo cristalli delle dimensioni di un centimetro costituiti da nanotubi a chiralità singola, questo è tutto, " Ha detto Kono. "Questo è il Santo Graal per questo campo. Negli ultimi 20 anni, la gente lo cercava".

Il laboratorio del riso si sta avvicinando, Egli ha detto, ma i film riportati nel documento attuale sono "arricchiti di chiralità" piuttosto che di singola chiralità. Un nanotubo di carbonio è un cilindro di grafene, con i suoi atomi disposti in esagoni. Come vengono girati gli esagoni imposta la chiralità del tubo, e che ne determina le proprietà elettroniche. Alcuni sono semiconduttori come il silicio, e altri sono conduttori metallici.

Un film perfettamente allineato, i nanotubi a singola chiralità avrebbero proprietà elettroniche specifiche. Il controllo della chiralità consentirebbe film sintonizzabili, Kono ha detto, ma i nanotubi crescono in lotti di tipi casuali.

Per adesso, i ricercatori di Rice utilizzano un semplice processo sviluppato presso il National Institute of Standards and Technology per separare i nanotubi per chiralità. Pur non essendo perfetto, è stato sufficiente consentire ai ricercatori di realizzare film arricchiti con nanotubi di diversi tipi e diametri e quindi realizzare polarizzatori terahertz e transistor elettronici.

Il laboratorio Rice ha scoperto la tecnica di filtrazione alla fine del 2013, quando gli studenti laureati e gli autori principali Xiaowei He e Weilu Gao hanno inavvertitamente aggiunto un po' troppa acqua a una sospensione di tensioattivi di nanotubi prima di alimentarla attraverso un filtro assistito dal vuoto. (I tensioattivi impediscono ai nanotubi in una soluzione di aggregarsi.)

La pellicola che si è formata sul filtro di carta è stata oggetto di ulteriori indagini. "Weilu ha controllato la pellicola con un microscopio elettronico a scansione e ha visto qualcosa di strano, " Ha detto. Piuttosto che cadere a caso sulla carta come bastoncini di raccolta, i nanotubi - milioni di loro - si erano uniti a stretto contatto, righe allineate.

"Quella prima foto ci ha dato un indizio che potremmo avere qualcosa di completamente diverso, " Ha detto. Un anno e più di 100 film dopo, gli studenti e i loro colleghi avevano affinato la loro tecnica per realizzare wafer di nanotubi larghi fino a un pollice (limitati solo dalle dimensioni della loro attrezzatura) e di qualsiasi spessore, da pochi a centinaia di nanometri.

Ulteriori esperimenti hanno rivelato che ogni elemento era importante:il tipo di carta da filtro, la pressione del vuoto e la concentrazione di nanotubi e tensioattivi. Nanotubi di qualsiasi chiralità e diametro lavorati, ma ciascuno ha richiesto aggiustamenti agli altri elementi per ottimizzare l'allineamento.

I film possono essere separati dalla carta e lavati e asciugati per l'uso, hanno detto i ricercatori.

Sospettano che anche i nanotubi di carbonio a parete multipla e i nanotubi non di carbonio come il nitruro di boro funzionerebbero.

Co-autore Wade Adams, un professore anziano della Rice, specializzato in scienza dei polimeri, ha detto che la scoperta è un passo avanti in una lunga ricerca di strutture allineate.

"Hanno formato quello che viene chiamato un monodominio nella tecnologia a cristalli liquidi, in cui tutte le molecole rigide si allineano nella stessa direzione, " ha detto Adams. "È sorprendente. (Il compianto premio Nobel Rice) Rick Smalley ed io abbiamo lavorato molto duramente per anni per creare un singolo cristallo di nanotubi, ma questi studenti lo hanno effettivamente fatto in un modo che nessuno di noi avrebbe mai immaginato."

Perché i nanotubi si allineano? Kono ha detto che il team sta ancora studiando i meccanismi della nucleazione, ovvero, come si uniscono i primi nanotubi sulla carta. "Pensiamo che i nanotubi cadano casualmente all'inizio, ma possono ancora scivolare sulla carta, " ha detto. "La forza di Van der Waals li riunisce, e cercano naturalmente il loro stato di energia più bassa, che è allineato." Poiché i nanotubi variano in lunghezza, i ricercatori sospettano che le sporgenze costringano altri tubi ad allinearsi mentre si uniscono alla matrice.

I ricercatori hanno scoperto che i loro film completati potevano essere modellati con tecniche di litografia standard. Questo è un altro vantaggio per i produttori, disse Kono, che ha iniziato a sentire voci sulla scoperta mesi prima dell'uscita del giornale.

"Ho tenuto un discorso su invito sul nostro lavoro a una conferenza sui nanotubi di carbonio, e molte persone stanno già cercando di riprodurre i nostri risultati, " ha detto. "Ho ricevuto una risposta entusiasta subito dopo il mio discorso. Tutti hanno chiesto la ricetta".