Onderzoekers onthullen waarom nanodraden aan elkaar blijven plakken

Onderzoekers onthullen waarom nanodraden aan elkaar blijven plakken. Credit: Nano-onderzoek (2021). DOI: 10.1007/s12274-021-4051-2

Nanodraden, gebruikt in sensoren, transistors, opto-elektronische apparaten en andere systemen die subatomaire precisie vereisen, plakken graag aan elkaar. Het ontwarren van elektrische draden kan een moeilijke taak zijn – stel je voor dat je draden probeert te scheiden van 1/1000 van de breedte van een mensenhaar. De zelfaantrekking van nanodraden is een groot probleem geweest voor de kwaliteit en efficiënte bulkfabricage, met het potentieel om op nanodraad gebaseerde apparaten catastrofaal kort te sluiten, maar onderzoekers in China hebben nu onthuld waarom de componenten aan elkaar vastklampen.

Ze publiceerden hun werk op 27 december 2021 in Nano-onderzoek.

“Elektrostatische kracht, capillaire kracht of van der Waals-kracht zijn allemaal beschouwd als aanjager van zelfaantrekking in nanodraden, maar de oorzaak bleef discutabel vanwege experimentele uitdagingen”, zei eerste auteur Junfeng Cui, Dr. Junfeng Cui, Key Laboratory for Precision en niet-traditionele bewerkingstechnologie van het Ministerie van Onderwijs, Dalian University of Technology.

Nanodraden trekken elkaar in de lucht aan, maar ze zijn te klein om grondig te onderzoeken zonder microscopisch onderzoek. Nanodraden worden meestal afgebeeld met een elektronenmicroscoop, die een elektronenstraal gebruikt om vooral kleine onderwerpen te visualiseren – een variabele die moeilijk te corrigeren is in een materiaal dat zo gevoelig is voor elektronen als nanodraden.

Het is een catch-22: de onderzoekers hebben de microscoop nodig om te zien hoe de draden zich gedragen, maar de microscoop verandert hun gedrag. Dus deden de onderzoekers een stap terug naar de basis en gebruikten een optische microscoop. Hoewel niet in staat om bijna net zoveel details te onthullen als een elektronenmicroscoop, gebruikt een optische microscoop zichtbaar licht dat de nanodraden niet verstoort.

Vervolgens gebruikten ze een beweegbare manipulator die een menselijke wenkbrauwhaar vasthield om lijm op een nanodraad aan te brengen en deze op een substraat te bevestigen. De overgebleven lijm werd gebruikt om nog een nanodraad aan de wenkbrauwhaartjes te bevestigen. Beide nanodraden zijn in beeld gebracht in de optische microscoop.

“We waren in staat om de afstand tussen twee individuele nanodraden en de gerelateerde aantrekkingskracht in realtime te meten,” zei Cui, die uitlegde dat ze de aantrekkingskracht bepaalden door te bestuderen hoe de nanodraad afbuigende van zijn stationaire positie. “De twee nanodraden bevestigden onmiddellijk aan elkaar toen ze dichtbij genoeg waren, wat kan worden toegeschreven aan de elektrostatische kracht.”

Net als plastic folie die aan iemands hand kleeft, namen de verschillend geladen elektronen in de twee nanodraden toe naarmate hun afstand kleiner werd en van dichtbij naar elkaar toegeklikt. En, net als plasticfolie, kost het wat kracht om ze weer te scheiden – van der Waals-kracht, om precies te zijn. Een zwakke interactie tussen atomen bij elkaar, de Van der Waals-kracht kan gemakkelijk worden verbroken door een sterkere mechanische kracht uit te oefenen om de materialen te scheiden.

“Het bieden van een veilige afstand is de sleutel om te voorkomen dat nanodraden samenklonteren en mogelijk kortsluiting veroorzaken, wat kan leiden tot rampzalige ongevallen, vooral op het gebied van ruimtevaart en kernenergie, maar aan de andere kant heeft zelfaantrekking van nanodraden een groot potentieel in toepassingen als nanopincet of nano-elektromechanische schakelaars,” zei Cui. “Het begrijpen van de aantrekkingskracht van nanodraden is de sleutel tot het fabriceren van hoogwaardige nanodraden en het ontwikkelen van hoogwaardige op nanodraad gebaseerde apparaten. Onze veelzijdige methode om de zelfaantrekking van nanodraad te identificeren en te meten, onthulde dat het aantrekkingsgedrag van nanodraden kan worden gecontroleerd, hoopte.”