Immagine al microscopio elettronico a scansione del circuito elettrico di misurazione della resistività, in cui un singolo nanocoil di carbonio fa un ottimo contatto con gli elettrodi. Credito:(c) Toyohashi University of Technology
I nanocoil di carbonio (CNC) sono una classe esotica di nanocarburi a bassa dimensionalità la cui forma elicoidale può renderli adatti per applicazioni come assorbitori di microonde e vari componenti meccanici come le molle. Gli spessori tipici e i diametri delle bobine dei CNC rientrano negli intervalli di 100-400 nm e 400-1000 nm, rispettivamente, e le loro lunghezze sono molto più grandi, dell'ordine di alcune decine di micrometri. Nonostante il precedente lavoro pionieristico, le relazioni tra la forma geometrica dei CNC naturali e le loro proprietà meccaniche ed elettriche, in particolare la resistività elettrica, non sono ben compresi.
Ora, ricercatori della Toyohashi Tech, Università di Yamanashi, Istituto Nazionale di Tecnologia, Gifu College, e Tokai Carbon Co., Ltd. hanno stabilito che la resistività dei CNC aumenta con il diametro della bobina. Ciò ha richiesto lo sviluppo di un preciso metodo di misurazione della resistività, utilizzando un fascio ionico focalizzato (FIB) e la tecnica del nanomanipolatore per selezionare un campione CNC con la geometria della bobina desiderata e quindi effettuare collegamenti elettrici saldi agli elettrodi dello strumento. Tutti i dati di resistività ottenuti con i CNC sono stati ben adattati da una curva prevista da una teoria nota come salto di gamma variabile (VRH), che è adatto per materiali disordinati a basse temperature.
La ricerca mostra che l'interno della nanobobina contiene materiale che influisce sulle sue proprietà elettriche. Gli scienziati hanno esaminato 15 CNC individuali, e tre CNC che erano stati artificialmente grafitizzati per dare loro una resistività inferiore (G-CNC). Sebbene la resistività dei CNC sia aumentata con il diametro della bobina, era quasi invariato per i G-CNC. Come conseguenza, per i CNC con i diametri maggiori, la resistività era di quasi due ordini di grandezza maggiore di quella delle versioni grafitizzate. Questa grande discrepanza nella resistività tra CNC e G-CNC indica una significativa complessità strutturale all'interno dei CNC. I nostri risultati implicano che l'interno dei CNC con un grande diametro della bobina è riempito con una rete di carbonio altamente disordinata che consiste in molte piccole regioni (note come domini sp2) incorporate in un mare di carbonio amorfo. Per verificare questa teoria, è stata esaminata la dipendenza dalla temperatura della resistività tra 4 K e 280 K. I dati di resistività obbedivano a due diverse versioni della teoria VRH; il regime nell'intervallo di temperatura di 50-280 K è risultato essere la cosiddetta versione Mott-VRH, mentre quella nella gamma di 4-20 K era la versione Efros-Shklovskii-VRH. interessante, le curve di resistività si sono spostate uniformemente tra i regimi al variare del diametro della bobina.
"Abbiamo riscontrato questo comportamento tre anni fa. Grazie agli sforzi di due studenti, abbiamo incluso i dati di resistività per G-CNC e nanofibre di carbonio diritte (CNF), e confrontarli con i dati per i CNC", spiega il Professore Associato Yoshiyuki Suda, "Sono così felice che il Prof. Hiroyuki Shima e il Dr. Tamio Iida si siano uniti a questo studio. Abbiamo ottenuto i dati di misurazione a bassa temperatura e li abbiamo discussi utilizzando la teoria VRH. Alla fine, siamo giunti alla conclusione che questo comportamento è un fenomeno unico per i CNC e può essere montato da VRH."
Dipendenza della resistività dei nanocoil di carbonio dalla temperatura, per diversi diametri di bobina. Gli assi del grafico, log resistività (ρ) e T-1/4, sono usati per semplificare la rappresentazione della dipendenza funzionale. Le linee continue in questa figura mostrano il miglior adattamento ai dati con il modello Mott-VRH. Credito:(c) Toyohashi University of Technology
Il primo autore, Studente del Master Yasushi Nakamura, hanno commentato come sono andati oltre le misurazioni della resistività CNC di altri gruppi. "È stato un compito lungo e impegnativo. Ho dovuto preparare molti campioni singoli CNC utilizzando un apparato a fascio ionico focalizzato. La nostra scoperta è stata ottenuta stabilendo un sistema di misurazione preciso utilizzando un microscopio elettronico a scansione e acquisendo dati di resistività per molti singoli CNC".
I risultati attuali del gruppo sulla resistività sono in accordo qualitativo con i risultati precedenti sulle proprietà meccaniche dei CNC:esperimenti di carico di trazione hanno mostrato che il loro modulo di taglio aumenta con il diametro della bobina. La correlazione positiva tra modulo di taglio e diametro della bobina è probabilmente causata dal fatto che nei CNC di grande diametro, la popolazione dei domini sp2, che sono fragili contro lo sforzo di taglio, è ridotto rispetto ai CNC di piccolo diametro.
Studente del Master (diplomato a marzo 2016) Yasushi Nakamura (a sinistra) e Professore Associato Yoshiyuki Suda (a destra). Credito:(c) Toyohashi University of Technology
Questi risultati implicano che, con nanocoil, la resistenza e l'induttanza sono definite da fattori geometrici. In particolare, diametro della bobina, pece, e la lunghezza sono importanti. La correlazione trovata può essere utilizzata per migliorare il controllo sulla frequenza di picco dell'assorbimento delle onde elettromagnetiche, in cui viene assorbita una particolare gamma di frequenze (~GHz), dipendente dalle proprietà di impedenza.
Questi risultati aprono la strada a nanodispositivi basati su CNC, che vanno dagli assorbitori di onde elettromagnetiche ai nano-solenoidi e alle molle meccaniche extra-sensibili.
