Grote stap richting kleine draden

Onderzoekers van de Fudan University in Shanghai, het Japanse National Institute for Materials Science en QUT’s Center for Materials Science hebben de studie gepubliceerd: “Stabiele enkelvoudige atomaire zilverdraden assembleren tot een schakeling-verbindbare nanoarray”, in het tijdschrift Nature Communications​

In de afgelopen twee decennia zijn onderzoekers die nanodevices wilden ontwikkelen zelden succesvol geweest in het creëren van lange atomaire draden die in een coherent georiënteerde array waren samengevoegd, en bovendien waren dergelijke draden onstabiel in alles buiten een vacuüm.

In dit project, zoals QUT’s professor Dmitri Golberg uitlegt, ontdekten de onderzoekers dat ze verrassend succes hadden als ze niet probeerden om een ​​draad, atoom voor atoom, in een vacuüm te creëren.

De onderzoekers plaatsen nanodeeltjes van zilver op de buitenkant van kleine nanostaafjes met daarin kanaaltjes.

“Als we dit in een vacuüm doen, of in een inerte atmosfeer, zoals mensen gewoonlijk doen, gebeurt er niets”, zei professor Golberg.

“Maar we deden het in de lucht. De atomen van zilverdeeltjes diffundeerden erg snel en ze verspreidden zich in de kanalen.”

Het verwachte resultaat, zei professor Golberg, bij een experiment als dit zou zijn dat het zilver zou reageren met de zuurstof in de lucht en zilveroxide zou vormen.

“In plaats daarvan gaan de atomen de kanalen binnen om zichzelf te huisvesten en deze kleine snaren te maken.

“Het was niet opzettelijk, het was niet de bedoeling om draden te maken”, zei hij.

Professor Golberg zei dat het proces was als waterdruppels die door een zeef gaan, en het resultaat was dat draden, zo dun als slechts één atoom, gevormd werden in de kanalen in een zelforganisatieproces, met wel 200 snaren in elk kanaal.

De onderzoekers bevestigden de nanodraden vervolgens aan elektroden en lieten een stroom door de draad lopen, in de verwachting dat het zich zou gedragen als een metaal, omdat die stroom zou toenemen naarmate de spanning toeneemt.

“Maar bij een bepaalde temperatuur werd het materiaal een isolator. Dit is niet gebruikelijk voor zilver en wordt de overgang van een metalen isolator genoemd”, zei professor Golberg.

“Dit is een vrij interessante overgang in de natuurkunde.

“En dit is een belangrijk punt, want het betekent dat de zilverdraad kan worden gebruikt als thermische schakelaar. Afhankelijk van de temperatuur verander je de eigenschappen van het materiaal door de temperatuur te veranderen.”

In het werk om nanodevices te bouwen, wordt de draad als vrij lang beschouwd – hoewel, om het in perspectief te plaatsen, de draad wel ongeveer eenvijftigste van de breedte van een mensenhaar is.

“Het is nog steeds vrij klein, maar voor mij is het vrij lang. In de elektronenmicroscoop is het erg groot.”

Professor Golberg is een materiaalwetenschapper en natuurkundige met meer dan 30 jaar praktijkervaring in het werken met nanomaterialen.

Zijn primaire onderzoeksgebied is het vinden van de kampioensmaterialen in elke categorie van de groene energietechnologieën – thermogeleidende, thermo-elektrische, structurele, batterij- en zonne-energiematerialen – onder een grondige analyse van alle mogelijke kandidaten die in reële ruwe omgevingen worden geplaatst, van vergelijkbare vacuümomstandigheden naar de ruimte en van zeer hoge temperaturen van 2000 Celsius tot -195 Celsius, gemodelleerd in de elektronenmicroscoop.

“Met een elektronenmicroscoop kan je duidelijk zien wat er met individuele atomen gebeurt, wat de unieke mogelijkheid is die me nog steeds fascineert en prikkelt”, zei professor Golberg.

“Als ik bijvoorbeeld naar materialen kijk voor ultra-efficiënte elektroden van de toekomst, kan ik zien, en zelfs video opnemen, hoe ionen zichzelf in materialen invoegen.”