Uno studio della Rice University scopre nuovi modi per realizzare architetture ordinate di nanotubi di carbonio chirali su scala wafer.
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.
Jacques Doumani è uno studente laureato in fisica applicata alla Rice e autore principale di uno studio pubblicato su Nature Communications. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University
Scienziati della Rice University il laboratorio Di Junichiro Kono hanno sviluppato due modi per produrre materiali sintetici su scala wafer chirale assemblaggi di nanotubi di carbonio (CNT) a partire da miscele achirali.
Secondo uno studio in Nature Communications, i risultanti film sottili “tornado” e “attorcigliati e impilati” possono controllare ellitticità ⎯ una proprietà della luce polarizzata ⎯ a un livello e in un intervallo di lo spettro che prima era in gran parte 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. “I nostri metodi producono film sottili e flessibili con proprietà chirali sintonizzabili”.
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 inferiore a 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 ⎯ tipicamente producono assemblaggi di nanotubi eterogenei e disordinati. Tali architetture casuali riducono le prestazioni complessive di un materiale.
Illustrazione grafica dei nanotubi di carbonio. Credito immagine: Jacques Doumani/Rice University
La capacità di creare quantità sufficientemente grandi di pellicole in cui i nanotubi abbiano lo stesso diametro e orientamento potrebbe alimentare l’innovazione in un’ampia gamma di settori, dai sistemi informativi alle applicazioni mediche o energetiche.
“In ricerca precedenteabbiamo dimostrato che il nostro 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 dell’articolo.
“Questa ricerca ci consente di portare questo lavoro in una nuova entusiasmante direzione introducendo la chiralità”.
La scoperta che il movimento potrebbe imprimere una svolta chirale a una disposizione ordinata dei CNT è avvenuta del tutto 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.
Jacques Doumani tiene in mano un film “tornado”. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University
“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 risultante simmetria chirale degli assemblaggi CNT a una “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 film CNT altamente allineati ad angolo controllando il numero di strati e gli angoli di torsione.
Gli scienziati della Rice University nel laboratorio di Junichiro Kono hanno sviluppato due modi per realizzare assemblaggi di nanotubi di carbonio chirali sintetici su scala wafer partendo da miscele achirali. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University
“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 nitruro di boro nanotubi e diseleniuro di tungsteno nanotubi.
“Questa scoperta è promettente per varie applicazioni”, ha detto Doumani.
Junichiro Kono è Karl F. Hasselmann Professor in Ingegneria della Rice, professore di ingegneria elettrica e informatica, scienza dei materiali e nanoingegneria e uno dei principali ricercatori dell’articolo. Foto di Jeff Fitlow/Rice University
“Nei settori farmaceutico e biomedico offre potenzialità nel biorilevamento, nell’imaging delle profondità marine 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 dell’informatica quantistica, apre la strada a un accoppiamento più deterministico tra fotoni ed emettitori.
“Siamo entusiasti di estendere questa tecnica anche ad altri tipi di nanomateriali”.
Fonte: Università del Riso
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
