Onthulling van nieuwe energiefenomenen door blootstelling aan licht op gelaagde materialen

Onderzoeksgroepen van de Universiteit van Tsukuba en de Universiteit van Rennes hebben een nieuw fenomeen ontdekt waarbij een geneste structuur van koolstofnanobuisjes omhuld door boornitridenanobuisjes een unieke elektronenontsnappingsroute mogelijk maakt bij blootstelling aan licht. Deze bevinding introduceert veelbelovende mogelijkheden voor verschillende toepassingen, waaronder de creatie van snelle optische apparaten, snelle controle van elektronen en andere deeltjes en efficiënte warmteafvoer van apparaten.

Recente studies hebben aangetoond dat materialen die zijn samengesteld uit gelaagde buizen, die atomair dik zijn en geclassificeerd zijn als laagdimensionale materialen, nieuwe eigenschappen vertonen. Hoewel de statische eigenschappen van deze structuren, zoals elektrische geleiding, goed gedocumenteerd zijn, hebben hun dynamische eigenschappen, waaronder elektronenoverdracht tussen lagen en atomaire beweging veroorzaakt door blootstelling aan licht, minder aandacht gekregen.

In deze studie construeerden onderzoekers geneste cilindrische structuren door koolstofnanobuisjes (CNT’s) in boornitridenanobuisjes te wikkelen. Vervolgens onderzochten ze de beweging van elektronen en atomen veroorzaakt door ultrakorte lichtpulsen op een eendimensionaal (1D) materiaal. De studie is gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.

De elektronenbeweging werd gevolgd met behulp van ultrasnelle optische breedbandspectroscopie, die onmiddellijke veranderingen in moleculaire en elektronische structuren als gevolg van lichtbestraling vastlegt met een nauwkeurigheid van tien biljoensten van een seconde (10).⁻¹³ S). Atoombeweging werd waargenomen door middel van ultrasnelle tijdsopgeloste elektronendiffractie, die op vergelijkbare wijze monitoring van de structurele dynamiek met een nauwkeurigheid van tien biljoenste van een seconde mogelijk maakte.

Uit het onderzoek bleek dat wanneer verschillende soorten laagdimensionale materialen gelaagd worden, er een pad of kanaal ontstaat, waardoor elektronen uit specifieke subdelen van het materiaal kunnen ontsnappen. Bovendien werd ontdekt dat elektronen die door blootstelling aan licht in de CNT’s worden geëxciteerd, via deze elektronische kanalen naar de BNNT’s kunnen worden overgebracht, waar hun energie snel wordt omgezet in thermische energie, wat een extreem snelle thermische conversie mogelijk maakt.

Dit onderzoek heeft een nieuw fysisch fenomeen blootgelegd op het grensvlak tussen twee ongelijksoortige materialen, dat niet alleen ultrasnel thermisch energietransport biedt, maar ook potentiële toepassingen biedt in de ontwikkeling van ultrasnelle optische apparaten en de snelle manipulatie van door licht gegenereerde elektronen en gaten.