Poiché i dispositivi elettronici continuano a ridursi per soddisfare la domanda di tecnologia tascabile e indossabile, gli scienziati stanno lavorando per sviluppare i minuscoli componenti che li fanno funzionare e un team dell'Università di Nottingham ha sviluppato un nuovo approccio per la preparazione di un cavo coassiale di circa 50, 000 volte più stretto della larghezza di un capello umano.

Questo minuscolo filo – costituito da un nanotubo di carbonio situato all'interno di un nanotubo di nitruro di boro – può essere prodotto su scala preparativa e può rappresentare un passo importante verso la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici.

Il team multinazionale di esperti del Regno Unito e dell'Ungheria, era guidato congiuntamente da Andrei Khlobystov, un professore di nanomateriali e direttore del Centro di ricerca su nanoscala e microscala dell'Università di Nottingham (nmRC), e Graham Rance, un ricercatore in caratterizzazione dei nanomateriali presso il nmRC, che possiedono competenze complementari nella sintesi e caratterizzazione di nanomateriali di carbonio. È stato pubblicato su Piccoli metodi , una nuova rivista incentrata sugli sviluppi all'avanguardia negli approcci sperimentali alla produzione di materiali su nano e microscala.

I cavi coassiali – essenziali per il trasporto sicuro della corrente elettrica che alimenta i dispositivi moderni – sono tipicamente costituiti da un conduttore interno (solitamente in rame) circondato da una guaina di plastica isolante. Però, con l'aumento della domanda dei consumatori per dispositivi elettronici più piccoli, si sta rapidamente raggiungendo il limite al quale questi materiali attuali possono essere utilizzati. Rame, ad esempio, è noto per perdere la sua elevata conduttività quando viene ridimensionato a dimensioni molto piccole e quindi i nuovi materiali stanno diventando sempre più importanti.

Fili in miniatura

I nanotubi di carbonio sono forti, leggero e, più importante, fili miniaturizzati ad alta conduttività elettrica, tipicamente 1-5 nanometri di diametro, ma fino a centimetri di lunghezza, e sono ideali per il nucleo di un cavo isolato su nanoscala. nanotubi di nitruro di boro, pur essendo strutturalmente simili ai nanotubi di carbonio, in confronto sono elettricamente isolanti, perfetto per circondare il nucleo conduttore. La sfida consisteva nel disporre questi due materiali su scala nanometrica uno dentro l'altro nella geometria coassiale richiesta. Questa ricerca ha dimostrato che posizionando piccole, a forma di calcio, molecole ricche di carbonio (C60-fullereni) all'interno di nanotubi di nitruro di boro e riscaldando i materiali risultanti a temperature molto elevate (oltre 1000 oC), i fullereni si trasformano spontaneamente in nanotubi di carbonio, che porta alla formazione di un nanotubo di carbonio elettricamente conduttore all'interno di un nanotubo di nitruro di boro elettricamente isolante, il cavo coassiale più piccolo al mondo.

Il professor Khlobystov ha dichiarato:"Attualmente la maggior parte delle moderne tecnologie dipende fortemente dall'uso dei metalli, alcuni dei quali stanno diventando sempre più rari e costosi. Perciò, è necessario lavorare per sostituire i metalli con elementi più abbondanti e sostenibili, come il carbonio e altri elementi leggeri. Il nostro studio dimostra il principio di come i cavi su scala nanometrica con nuclei conduttori e gusci isolanti possono essere fabbricati da ingredienti semplici. La prossima sfida è testare le loro proprietà elettriche e meccaniche per determinare la portata di questi materiali per le applicazioni tecnologiche".

Applicazioni ad ampio raggio

Il dottor Rance ha dichiarato:"Il nostro approccio per la preparazione di un cavo coassiale miniaturizzato esplora ulteriormente la capacità dei tubuli cavi su scala nanometrica di controllare la formazione di nuove e interessanti nanostrutture all'interno della cavità interna, alcuni che non possono essere preparati in altro modo. A livello fondamentale, questa ricerca ci sta aiutando a capire il comportamento delle molecole quando confinate in spazi molto piccoli; però, ad un livello più pratico, prevediamo che questa strategia porterà alla produzione di nuovi materiali, con applicazioni potenzialmente ad ampio raggio, dall'elettronica su scala nanometrica, ai materiali catalitici e nei dispositivi di rilevamento."

La ricerca è stata condotta da esperti in chimica sintetica e analitica, scienza dei materiali e microscopia elettronica e costruisce il concetto di nanoprovette in carbonio sviluppato dal Prof. Khlobystov (le provette più piccole del mondo, Guinness dei primati 2005), dove il nanotubo funge contemporaneamente da contenitore per le molecole e da recipiente di reazione per le trasformazioni chimiche. Il suo lavoro pionieristico sui nanocontenitori di carbonio e sui nanoreattori continua a portare a nuovi modi di dirigere l'assemblaggio molecolare e studiare le reazioni chimiche.

Professoressa Katalin Kamaras, Professore di ricerca ed esperto di spettroscopia vibrazionale ha collaborato alla ricerca, con il suo team che lavora presso il Centro di ricerca Wigner per la fisica dell'Accademia ungherese delle scienze a Budapest. Il professor Kamaras ha dichiarato:"Il mio gruppo di ricerca ha lavorato a lungo sulla spettroscopia delle nanostrutture di carbonio. La spettroscopia fornisce conoscenze sulla dinamica interna delle molecole incapsulate e può seguire le loro trasformazioni in base alle loro proprietà fisiche. Attraverso la nostra collaborazione con il Prof. Khlobystov è diventato possibile "vedere" le strutture di cui avevamo solo informazioni indirette. Questa ricerca congiunta ha il potenziale di aprire nuove possibilità nella scienza dei materiali sia fondamentale che applicata".

La ricerca nel Regno Unito è stata eseguita presso lo stato dell'arte del Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC). La visione del centro è quella di diventare una struttura leader a livello mondiale per la caratterizzazione e l'analisi di materiali molecolari su nano e microscala. Con una suite unica di 20 strumenti principali, il centro è composto da esperti con medici, background scientifico e ingegneristico. Attualmente stanno lavorando su una vasta gamma di ricerche dalle cellule tumorali e gli impianti medici stampati in 3D ai semiconduttori e alle celle solari.