Tafelzout maakt nieuwe metalen nanobuisjes mogelijk met potentieel voor snellere elektronica

Voor het eerst hebben onderzoekers niobiumsulfide-metalen nanobuisjes gemaakt met stabiele, voorspelbare eigenschappen, een lang gezocht doel in de geavanceerde materiaalwetenschap. Volgens het internationale team, waaronder een onderzoeker van Penn State, dat deze prestatie heeft geleverd, werd het nieuwe nanomateriaal dat de deur zou kunnen openen naar snellere elektronica, efficiënt elektriciteitstransport via supergeleiderdraden en zelfs toekomstige kwantumcomputers mogelijk gemaakt met een verrassend ingrediënt: tafelzout.

Ze publiceerden hun onderzoek in ACS Nano.

Nanobuisjes zijn structuren die zo klein zijn dat duizenden ervan over de breedte van een mensenhaar passen. De kleine holle cilinders worden gemaakt door vellen atomen op te rollen; Nanobuisjes hebben een ongebruikelijke grootte en vorm waardoor ze zich heel anders kunnen gedragen dan 3D- of bulkmaterialen.

Ze kunnen sterker zijn dan staal, maar lichter dan plastic, elektriciteit transporteren met weinig weerstand, warmte efficiënt geleiden en zelfs exotische kwantumeffecten vertonen.

Deze eigenschappen maken ze veelbelovende bouwstenen voor toekomstige technologieën, aldus studieauteur Slava V. Rotkin, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, hoogleraar natuurkunde en lid van het Materials Research Institute van Penn State.

Rotkin legde uit dat de eigenschappen kunnen worden aangepast door specifieke soorten atomen te gebruiken om de nanobuisjes te maken. Dat is een van de redenen waarom onderzoekers graag nanobuisjes van niobiumdisulfide wilden maken. Tot nu toe konden wetenschappers op betrouwbare wijze nanobuisjes maken van koolstof – dat kan fungeren als halfgeleiders of halfmetalen – en van isolerend boornitride, maar niet van echte metalen, die zich op atomaire schaal heel anders gedragen.

“Wat we nu hebben zijn metalen omhulsels die in principe fenomenen als supergeleiding en magnetisme kunnen vertonen, die onmogelijk zijn in isolerende of halfgeleidende versies”, zei Rotkin. “Eerdere halfmetalen koolstofnanobuisjes vertoonden geen supergeleiding of ferromagnetisme vanwege de lage elektronendichtheid.”

Het team werkte met niobiumdisulfide, een metaal dat in grote mate bekend staat om zijn ongebruikelijke eigenschappen, zoals supergeleiding, waardoor elektriciteit zonder weerstand kan stromen. Ze slaagden erin dit metaal in buizen te lokken die slechts een miljardste van een meter breed waren, en het rond een sjabloon te wikkelen dat gemaakt was van koolstof- en boornitride-nanobuisjes.

Het verkrijgen van het materiaal om die opgerolde vorm aan te nemen was de doorbraak, zei Rotkin. Normaal gesproken verspreiden dit soort materialen zich het liefst in vlakke platen. De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid gewoon zout op precies het juiste moment in het groeiproces het verschil maakte.

“In zekere zin leek het een beetje op alchemie in de middeleeuwen”, zei Rotkin. “Je voegt een klein ingrediënt toe en plotseling verandert de reactie. Zonder het zout wordt het niobiumdisulfide plat. Met het zout omhult het de nanobuis en vormt het de schillen die we nodig hebben.”

De nanobuisjes onthulden nog een verrassing. In plaats van voornamelijk enkellaagse buizen te maken, gaf het materiaal er de voorkeur aan om twee lagen te maken, zoals een paar geneste rietjes.

“We ontdekten dat het grootste aantal nanobuisjes met een kleine diameter uit twee schalen bestond, en niet uit één schaal”, zei Rotkin. “Dat betekent dat het maken van twee granaten op de een of andere manier gunstiger is dan het maken van één, wat niet is wat je normaal zou verwachten.”

Rotkin en collega’s zeiden dat ze geloven dat de groei van de dubbele schaal het gevolg was van elektriciteit die zich tussen de granaten verplaatste. Met twee lagen kunnen elektronen van de ene naar de andere springen, een beetje als een condensator van atomaire grootte die de hele structuur stabiliseert. Rotkin stelde een nieuw model voor en voerde computermodelsimulaties uit die dat idee ondersteunden.

De gerolde vorm van deze nanobuisjes lost ook een probleem op dat ingenieurs uitdaagt die met platte, 2D-materialen werken. Om nanodraden van platte platen te maken, moeten wetenschappers ze uitsnijden met behulp van lithografie, een proces dat lijkt op het etsen van patronen op siliciumchips. Maar op zulke kleine schaal laat het snijwerk ruwe randen achter die de eigenschappen van het materiaal verstoren.

“Als je het oprolt, heb je een schaal zonder bungelende banden”, zei Rotkin. “De diameter van de schaal vertelt je precies wat het gedrag zal zijn. Nanobuisjes zijn veel minder willekeurig dan nanodraden gesneden uit tweedimensionale platen.”

Die precisie zou metalen nanobuisjes waardevol kunnen maken voor toepassingen die betrouwbaarheid op nanoschaal vereisen, zei Rotkin.

“We weten dat tweedimensionaal niobiumdisulfide al supergeleiding vertoont”, zei Rotkin. “Als we hiervan kunnen profiteren in eendimensionale nanobuisjes, opent dit mogelijkheden voor kwantumcomputers en voor het creëren van supergeleidende draden die elektronica sneller en efficiënter kunnen maken.”

Voorlopig bevindt het onderzoek zich nog in de fundamentele fase, maar het levert wat Rotkin een belangrijk proof of concept noemde.

“Dit zijn vroege resultaten, maar ze laten zien dat we metallische nanobuisjes kunnen laten groeien en hun stabiliteit beginnen te begrijpen,” zei Rotkin. “Vanaf hier kunnen we gaan nadenken over hoe we ze in technologieën kunnen integreren.”

Rotkin, die heeft bijgedragen aan de theoretische modellering van de interactie tussen de granaten, zegt dat het project de kracht van internationale samenwerking laat zien.

‘Dit is geen werk dat in isolatie kan worden gedaan’, zei hij. “Er is een team met verschillende expertises voor nodig, en ik had het geluk daar deel van uit te mogen maken.”