Questa animazione mostra blocchi molecolari che si uniscono alla punta di un nanofilo in crescita. Ogni blocco è costituito da un diamante, il pezzo di diamante più piccolo possibile, attaccato ad atomi di zolfo e rame (sfere gialle e marroni). Come i mattoncini LEGO, si adattano solo in determinati modi che sono determinati dalla loro dimensione e forma. Gli atomi di rame e zolfo formano un filo conduttore nel mezzo, e i diamondoidi formano un guscio esterno isolante. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Scienziati dell'Università di Stanford e del National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia SLAC hanno scoperto un modo per utilizzare i diamantini - i più piccoli frammenti di diamante possibili - per assemblare atomi nei fili elettrici più sottili possibili, solo tre atomi di larghezza.
Afferrando vari tipi di atomi e mettendoli insieme in stile LEGO, la nuova tecnica potrebbe essere potenzialmente utilizzata per costruire fili minuscoli per una vasta gamma di applicazioni, compresi i tessuti che generano elettricità, dispositivi optoelettronici che utilizzano sia l'elettricità che la luce, e materiali superconduttori che conducono elettricità senza alcuna perdita. Gli scienziati hanno riportato i loro risultati oggi in Materiali della natura .
"Ciò che abbiamo mostrato qui è che possiamo creare piccoli, fili conduttori della dimensione più piccola possibile che si assemblano essenzialmente da soli, " ha detto Hao Yan, un ricercatore post-dottorato di Stanford e autore principale dell'articolo. "Il processo è semplice, sintesi one-pot. Metti insieme gli ingredienti e puoi ottenere risultati in mezz'ora. È quasi come se i diamondoidi sapessero dove vogliono andare".
Più piccolo è, meglio è
Sebbene ci siano altri modi per ottenere materiali da autoassemblare, questo è il primo mostrato per realizzare un nanofilo con un solido, nucleo cristallino che ha buone proprietà elettroniche, ha detto il coautore dello studio Nicholas Melosh, professore associato presso SLAC e Stanford e ricercatore presso SIMES, lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso SLAC.
I fili aghiformi hanno un nucleo semiconduttore - una combinazione di rame e zolfo noto come calcogenuro - circondato dai diamantini attaccati, che formano un guscio isolante.
Grappoli bianchi sfocati di nanofili su un banco da laboratorio, con un centesimo per la scala. Assemblato con l'aiuto di diamondoidi, i microscopici nanofili possono essere visti ad occhio nudo perché la forte attrazione reciproca tra i loro gusci di diamante li fa ammassare insieme, in questo caso a milioni. In alto a destra, un'immagine realizzata con un microscopio elettronico a scansione mostra cluster di nanofili ingranditi di 10, 000 volte. Credito:immagine SEM di Hao Yan/SIMES; foto di SLAC National Accelerator Laboratory
La loro minuscola dimensione è importante, Melosh ha detto, perché un materiale che esiste solo in una o due dimensioni - come punti su scala atomica, fili o fogli - possono avere molto diversi, proprietà straordinarie rispetto allo stesso materiale sfuso. Il nuovo metodo consente ai ricercatori di assemblare quei materiali con precisione e controllo atomo per atomo.
I diamantini che usavano come strumenti di assemblaggio sono minuscoli, gabbie ad incastro di carbonio e idrogeno. Trovato naturalmente nei fluidi petroliferi, vengono estratti e separati per dimensione e geometria in un laboratorio SLAC. Nell'ultimo decennio, un programma di ricerca SIMES guidato da Melosh e dal professor Zhi-Xun Shen dello SLAC/Stanford ha trovato una serie di potenziali usi per i piccoli diamanti, compreso il miglioramento delle immagini al microscopio elettronico e la realizzazione di minuscoli gadget elettronici.
Attrazione costruttiva
Per questo studio, il team di ricerca ha approfittato del fatto che i diamondoidi sono fortemente attratti l'uno dall'altro, attraverso le cosiddette forze di van der Waals. (Questa attrazione è ciò che fa raggruppare i microscopici diamantini in cristalli simili a zucchero, che è l'unico motivo per cui puoi vederli ad occhio nudo.)
Hanno iniziato con i diamanti più piccoli possibili - gabbie singole che contengono solo 10 atomi di carbonio - e hanno attaccato un atomo di zolfo a ciascuno. Galleggiante in una soluzione, ogni atomo di zolfo legato con un singolo ione di rame. Questo ha creato l'elemento base del nanofilo.
Gli elementi costitutivi si spostarono poi l'uno verso l'altro, attratto dall'attrazione di van der Waals tra i diamondoidi, e attaccato alla punta crescente del nanofilo.
Un'illustrazione mostra un cluster esagonale di sette nanofili assemblati da diamondoidi. Ogni filo ha un nucleo elettricamente conduttivo costituito da atomi di rame e zolfo (sfere marroni e gialle) circondato da un guscio isolante diamantato. L'attrazione naturale tra i diamantini guida il processo di assemblaggio. Credito:H. Yan et al., Materiali della natura
"Proprio come i blocchi LEGO, si adattano solo in determinati modi che sono determinati dalla loro dimensione e forma, ", ha detto lo studente laureato di Stanford Fei Hua Li, che ha svolto un ruolo fondamentale nel sintetizzare i minuscoli fili e nel capire come sono cresciuti. "Gli atomi di rame e zolfo di ciascun blocco costitutivo si sono avvolti nel mezzo, formando il nucleo conduttivo del filo, e i diamanti più ingombranti si sono avvolti all'esterno, formando il guscio isolante."
Un versatile toolkit per creare nuovi materiali
Il team ha già utilizzato i diamondoidi per realizzare nanofili unidimensionali a base di cadmio, zinco, ferro e argento, compresi alcuni che sono cresciuti abbastanza a lungo da poter vedere senza un microscopio, e hanno sperimentato la realizzazione delle reazioni in diversi solventi e con altri tipi di rigidi, molecole a gabbia, come i carbonati.
I fili a base di cadmio sono simili ai materiali utilizzati in optoelettronica, come diodi ad emissione luminosa (LED), e quelli a base di zinco sono come quelli utilizzati nelle applicazioni solari e nei generatori di energia piezoelettrica, che convertono il moto in elettricità.
"Puoi immaginare di intrecciarli in tessuti per generare energia, "Melosh ha detto. "Questo metodo ci offre un toolkit versatile in cui possiamo armeggiare con una serie di ingredienti e condizioni sperimentali per creare nuovi materiali con proprietà elettroniche finemente sintonizzate e fisica interessante".
I teorici guidati dal direttore di SIMES Thomas Devereaux hanno modellato e previsto le proprietà elettroniche dei nanofili, che sono stati esaminati con raggi X presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource di SLAC, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, determinarne la struttura e altre caratteristiche.
