Un nanotubo potrebbe essere ottimo per le applicazioni elettroniche, ma ci sono nuove prove che due potrebbero essere il massimo.

Gli ingegneri della Rice University sapevano già che le dimensioni contano quando si utilizzano nanotubi di carbonio a parete singola per le loro proprietà elettriche. Ma fino ad ora, nessuno aveva studiato come agiscono gli elettroni di fronte alla struttura simile a una bambola russa dei tubi a più pareti.

Il teorico dei materiali del laboratorio Rice Boris Yakobson ha ora calcolato l'impatto della curvatura dei nanotubi di carbonio a doppia parete semiconduttori sulla loro tensione flessoelettrica, una misura dello squilibrio elettrico tra le pareti interne ed esterne del nanotubo.

Ciò influisce sull'idoneità delle coppie di nanotubi annidate per le applicazioni di nanoelettronica, soprattutto fotovoltaico.

La ricerca teorica del gruppo Brown School of Engineering di Yakobson appare sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

In uno studio del 2002, Yakobson e i suoi colleghi della Rice avevano rivelato come il trasferimento degli addebiti, la differenza tra polo positivo e polo negativo che consente l'esistenza di tensione tra l'uno e l'altro, scala linearmente alla curvatura della parete del nanotubo. La larghezza del tubo determina la curvatura, e il laboratorio ha scoperto che più sottile è il nanotubo (e quindi maggiore è la curvatura), maggiore è la tensione potenziale.

Quando gli atomi di carbonio formano il grafene piatto, la densità di carica degli atomi su entrambi i lati del piano è identica, ha detto Yakobson. Curvare il foglio di grafene in un tubo rompe quella simmetria, cambiando l'equilibrio.

Ciò crea un dipolo locale flessoelettrico in direzione di, e proporzionale a, la curvatura, secondo i ricercatori, che ha notato che la flexoelettricità del carbonio 2-D "è un effetto notevole ma anche abbastanza sottile".

Ma più di un muro complica enormemente l'equilibrio, alterare la distribuzione degli elettroni. Nei nanotubi a doppia parete, la curvatura dei tubi interno ed esterno differisce, dando a ciascuno un distinto band gap. Inoltre, i modelli hanno mostrato che la tensione flessoelettrica della parete esterna sposta il band gap della parete interna, creando un allineamento sfalsato della banda nel sistema annidato.

"La novità è che il tubo inserito, la matrioska "bambina" (interna) ha tutti i suoi livelli di energia quantistica spostati a causa della tensione creata dal nanotubo esterno, " disse Yakobson. L'interazione di diverse curvature, Egli ha detto, provoca una transizione di gap di banda a cavallo tra sfalsato che avviene a un diametro critico stimato di circa 2,4 nanometri.

"Questo è un enorme vantaggio per le celle solari, essenzialmente un prerequisito per separare le cariche positive e negative per creare una corrente, " disse Yakobson. "Quando la luce viene assorbita, un elettrone salta sempre dalla parte superiore di una banda di valenza occupata (lasciando un buco 'più' dietro) allo stato più basso della banda di conduttanza vuota.

"Ma in una configurazione sfalsata si trovano in tubi diversi, o strati, " ha detto. "Il 'più' e il 'meno' vengono separati tra i tubi e possono fluire via generando corrente in un circuito".

I calcoli del team hanno anche mostrato che la modifica delle superfici dei nanotubi con atomi positivi o negativi potrebbe creare "tensioni sostanziali di entrambi i segni" fino a tre volt. "Sebbene la funzionalizzazione possa perturbare fortemente le proprietà elettroniche dei nanotubi, può essere un modo molto potente di indurre tensione per determinate applicazioni, " hanno scritto i ricercatori.

Il team ha suggerito che i suoi risultati potrebbero applicarsi ad altri tipi di nanotubi, tra cui nitruro di boro e bisolfuro di molibdeno, da soli o come ibridi con nanotubi di carbonio.