Gracias a un poco de serendipia, Los investigadores de la Universidad de Rice han creado un diminuto cable coaxial que es aproximadamente mil veces más pequeño que un cabello humano y tiene una capacitancia más alta que los microcondensadores previamente reportados.

El nanocable, que se describe esta semana en Comunicaciones de la naturaleza , fue producido con técnicas pioneras en el campo de la investigación del grafeno incipiente y podría usarse para construir sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación. También podría ser útil para conectar componentes de procesadores de laboratorio en un chip, pero su descubrimiento se debe en parte al azar.

"No esperábamos crear esto cuando empezamos, "dijo el coautor del estudio, Jun Lou, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Rice. "Al principio, simplemente teníamos curiosidad por ver qué pasaría eléctrica y mecánicamente si tomamos pequeños cables de cobre conocidos como interconexiones y los cubrimos con una fina capa de carbono ".

El diminuto cable coaxial tiene una estructura notablemente similar a los que llevan señales de televisión por cable a millones de hogares y oficinas. El corazón del cable es un alambre de cobre sólido que está rodeado por una delgada cubierta de óxido de cobre aislante. Una tercera capa otro conductor, rodea eso. En el caso de los cables de TV, la tercera capa es de nuevo cobre, pero en el nanocable es una fina capa de carbono que mide solo unos pocos átomos de espesor. El nanocable coaxial mide aproximadamente 100 nanómetros, o 100 mil millonésimas de metro, amplio.

Si bien el cable coaxial es un pilar de las telecomunicaciones de banda ancha, el de tres capas, La estructura de metal-aislante-metal también se puede utilizar para construir dispositivos de almacenamiento de energía llamados condensadores. A diferencia de las baterías, que dependen de reacciones químicas para almacenar y suministrar electricidad, los condensadores utilizan campos eléctricos. Un condensador contiene dos conductores eléctricos, uno negativo y el otro positivo, que están separados por una fina capa de aislamiento. La separación de los conductores con carga opuesta crea un potencial eléctrico, y ese potencial aumenta a medida que aumentan las cargas separadas y disminuye la distancia entre ellas, ocupada por la capa aislante. La proporción entre la densidad de carga y la distancia de separación se conoce como capacitancia, y es la medida estándar de eficiencia de un condensador.

El estudio informa que la capacitancia del nanocable es al menos 10 veces mayor de lo que se predeciría con la electrostática clásica.

"Es muy probable que el aumento se deba a los efectos cuánticos que surgen debido al pequeño tamaño del cable, "dijo el coautor del estudio Pulickel Ajayan, Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson, profesora de Rice de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales.

Los laboratorios de Lou y Ajayan se especializan en la fabricación y el estudio de materiales y nanodispositivos a nanoescala que exhiben este tipo de efectos cuánticos intrigantes. pero Ajayan y Lou dijeron que había un elemento de azar en el descubrimiento del nanocable.

Cuando el proyecto comenzó hace 18 meses, El investigador postdoctoral de Rice Zheng Liu, el coautor principal del estudio, destinado a fabricar hilos de cobre puro cubiertos de carbono. Las técnicas para hacer los cables, que tienen solo unos pocos nanómetros de ancho, están bien establecidos porque los cables se utilizan a menudo como "interconexiones" en la electrónica de última generación. Liu utilizó una técnica conocida como deposición química de vapor (CVD) para cubrir los cables con una fina capa de carbono. La técnica CVD también se utiliza para hacer crecer láminas de carbono de un solo átomo de espesor llamadas grafeno sobre películas de cobre.

"Cuando la gente produce grafeno, por lo general, quieren estudiar el grafeno y no están muy interesados ​​en el cobre, "Dijo Lou." Solo se usa una plataforma para hacer el grafeno ".

Cuando Liu ejecutó algunas pruebas electrónicas en sus primeras muestras, los resultados estuvieron lejos de lo que esperaba.

"Con el tiempo descubrimos que se estaba formando una fina capa de óxido de cobre, que sirve como capa dieléctrica, entre el cobre y el carbono, "dijo Liu.

Al examinar otros estudios más de cerca, El equipo descubrió que algunos otros científicos habían mencionado la oxidación que se produce en los sustratos de cobre durante la producción de grafeno.

"Está bastante bien documentado, pero no pudimos encontrar a nadie que hubiera hecho un examen detallado de las propiedades electrónicas de interfaces tan complejas, "Dijo Ajayan.

La capacitancia del nuevo nanocable es de hasta 143 microfaradios por centímetro cuadrado, mejor que los mejores resultados anteriores de microcondensadores.

Lou dijo que podría ser posible construir un dispositivo de almacenamiento de energía a gran escala colocando millones de pequeños nanocables uno al lado del otro en grandes conjuntos.

"El cable a nanoescala también podría utilizarse como línea de transmisión de señales de radiofrecuencia a nanoescala, "Esto podría ser útil como un bloque de construcción fundamental en sistemas electromecánicos de tamaño micro y nano como los dispositivos de laboratorio en un chip", dijo Liu.