I materiali chirali interagiscono con la luce in modi molto precisi, utili per costruire display, sensori e dispositivi più potenti. Tuttavia, l'affidabilità delle proprietà ingegneristiche come la chiralità su larga scala rappresenta ancora una sfida significativa nel campo delle nanotecnologie.
Gli scienziati della Rice University nel laboratorio di Junichiro Kono hanno sviluppato due modi per realizzare assemblaggi di nanotubi di carbonio chirali sintetici (CNT) su scala wafer partendo da miscele achirali. Secondo uno studio pubblicato su Nature Communications , i risultanti film sottili "tornado" e "attorcigliati e impilati" possono controllare l'ellitticità, una proprietà della luce polarizzata, a un livello e in una gamma dello spettro che in precedenza era ampiamente fuori portata.
"Questi approcci ci hanno garantito la capacità di introdurre deliberatamente e coerentemente la chiralità nei materiali che, fino ad ora, non mostravano questa proprietà su scala macroscopica", ha affermato Jacques Doumani, uno studente laureato in fisica applicata alla Rice e autore principale dello studio. studio. "I nostri metodi producono film sottili e flessibili con proprietà chirali regolabili."
I CNT, strutture cilindriche cave costituite da atomi di carbonio, possiedono notevoli proprietà elettriche, meccaniche, termiche e ottiche. Un CNT a parete singola ha un diametro circa 100.000 volte più piccolo di quello di un singolo capello umano.
Il problema è che la maggior parte dei modi per produrre CNT in quantità maggiori, necessari per l’uso in numerose applicazioni, in genere producono assemblaggi di nanotubi eterogenei e disordinati. Tali architetture casuali riducono le prestazioni complessive di un materiale.
La capacità di creare quantità sufficientemente grandi di pellicole in cui i nanotubi hanno lo stesso diametro e orientamento potrebbe alimentare l'innovazione in un'ampia gamma di settori, dai sistemi informativi alle applicazioni mediche o energetiche.
"In una ricerca precedente, abbiamo dimostrato che la nostra tecnica di filtrazione sotto vuoto può raggiungere un allineamento quasi perfetto dei nanotubi di carbonio su scala significativa", ha affermato Kono, professore di ingegneria Karl F. Hasselmann, professore di ingegneria elettrica e informatica, scienza dei materiali e nanoingegneria e uno dei principali ricercatori del documento. "Questa ricerca ci consente di portare questo lavoro in una nuova entusiasmante direzione introducendo la chiralità."
La scoperta che il movimento potrebbe conferire una svolta chirale a una disposizione ordinata dei CNT è avvenuta interamente per caso.
"È stata, letteralmente, una svolta inaspettata", ha detto Doumani, raccontando come una pompa traballante posizionata sullo stesso tavolo del sistema di filtraggio sotto vuoto ha causato vibrazioni involontarie che hanno avvolto lo strato di CNT allineati in una spirale simile a un tornado.
"Queste vibrazioni hanno avuto un profondo impatto sull'architettura dei nanotubi di carbonio assemblati, spingendoci a esplorare e perfezionare ulteriormente questo nuovo fenomeno", ha affermato. "Questa scoperta casuale ci ha permesso di riconoscere che possiamo progettare architetture di nanotubi di carbonio con le caratteristiche desiderate regolando gli angoli di rotazione e le condizioni di scuotimento."
Kono ha paragonato la simmetria chirale risultante degli assemblaggi CNT a un'"opera d'arte".
"Sono particolarmente orgoglioso di Jacques per aver portato avanti la scoperta che possiamo combinare la filtrazione e l'agitazione dei nanotubi di carbonio per ottimizzare le caratteristiche di queste pellicole su scala wafer", ha affermato Kono.
Il secondo metodo per ottenere la chiralità prevedeva l'impilamento di pellicole CNT altamente allineate ad angolo controllando il numero di strati e gli angoli di torsione.
"Abbiamo raggiunto un traguardo notevole nella gamma dell'ultravioletto profondo, dove abbiamo stabilito un nuovo record per l'ellitticità", ha affermato Doumani. "Inoltre, rispetto ai concorrenti in questo settore, la nostra tecnica è molto semplice da configurare. Non abbiamo bisogno di un sistema complesso per realizzare questi film."
Le tecniche possono essere utilizzate per progettare materiali per nuovi dispositivi optoelettronici, come LED, laser, celle solari e fotorilevatori. È anche una configurazione che può essere potenzialmente utilizzata per realizzare film chirali su scala wafer utilizzando altri nanomateriali come nanotubi di nitruro di boro e nanotubi di diseleniuro di tungsteno.
"Questa scoperta è promettente per varie applicazioni", ha detto Doumani. "Nei settori farmaceutico e biomedico, offre potenzialità nel biorilevamento, nell'imaging di acque profonde e nell'identificazione di composti utili. Nella comunicazione, potrebbe migliorare il rilevamento missilistico, proteggere i canali di comunicazione e rafforzare le capacità anti-interferenza. Nell'ingegneria informatica quantistica, apre la strada a accoppiamento più deterministico fotone-emettitore.
"Siamo entusiasti di estendere questa tecnica anche ad altri tipi di nanomateriali."
Ulteriori informazioni: Jacques Doumani et al, Ingegneria della chiralità su scala wafer con architetture ordinate di nanotubi di carbonio, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43199-x
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla Rice University
