Esta animación muestra bloques de construcción moleculares que se unen a la punta de un nanoalambre en crecimiento. Cada bloque consta de un diamondoide, el trozo de diamante más pequeño posible, unido a átomos de azufre y cobre (esferas amarillas y marrones). Como bloques de LEGO, solo encajan entre sí de ciertas formas que están determinadas por su tamaño y forma. Los átomos de cobre y azufre forman un cable conductor en el medio, y las diamondoides forman una capa exterior aislante. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Científicos de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han descubierto una forma de usar diamondoides, los trozos de diamante más pequeños posibles, para ensamblar átomos en los cables eléctricos más delgados posibles. solo tres átomos de ancho.
Al tomar varios tipos de átomos y juntarlos al estilo LEGO, la nueva técnica podría potencialmente usarse para construir cables diminutos para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo tejidos que generan electricidad, dispositivos optoelectrónicos que emplean electricidad y luz, y materiales superconductores que conducen la electricidad sin pérdida alguna. Los científicos informaron sus resultados hoy en Materiales de la naturaleza .
"Lo que hemos demostrado aquí es que podemos hacer pequeños cables conductores del tamaño más pequeño posible que esencialmente se ensamblan ellos mismos, "dijo Hao Yan, investigador postdoctoral de Stanford y autor principal del artículo. "El proceso es simple, síntesis en un solo recipiente. Vuelves los ingredientes juntos y puedes obtener resultados en media hora. Es casi como si las diamondoides supieran adónde quieren ir ".
Cuanto más pequeño, mejor
Aunque hay otras formas de hacer que los materiales se autoensamblen, este es el primero que se muestra para hacer un nanoalambre con un sólido, núcleo cristalino que tiene buenas propiedades electrónicas, dijo el coautor del estudio, Nicholas Melosh, profesor asociado en SLAC y Stanford e investigador en SIMES, el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía en SLAC.
Los alambres en forma de aguja tienen un núcleo semiconductor, una combinación de cobre y azufre conocida como calcogenuro, rodeado por las diamondoides adjuntas. que forman un caparazón aislante.
Racimos blancos difusos de nanocables en una mesa de laboratorio, con un centavo por escala. Montado con la ayuda de diamondoides, Los nanocables microscópicos se pueden ver a simple vista porque la fuerte atracción mutua entre sus conchas diamondoides hace que se agrupen, en este caso por millones. Arriba a la derecha, una imagen hecha con un microscopio electrónico de barrido muestra grupos de nanocables ampliados 10, 000 veces. Crédito:imagen SEM de Hao Yan / SIMES; foto de SLAC National Accelerator Laboratory
Su minúsculo tamaño es importante, Melosh dijo:porque un material que existe en solo una o dos dimensiones, como puntos a escala atómica, alambres u hojas - pueden tener muy diferentes, propiedades extraordinarias en comparación con el mismo material fabricado a granel. El nuevo método permite a los investigadores ensamblar esos materiales con precisión y control átomo por átomo.
Las diamondoides que usaban como herramientas de montaje son diminutas, jaulas entrelazadas de carbono e hidrógeno. Se encuentra naturalmente en los fluidos derivados del petróleo, se extraen y separan por tamaño y geometría en un laboratorio SLAC. En la última década, un programa de investigación SIMES dirigido por Melosh y el profesor de SLAC / Stanford Zhi-Xun Shen ha encontrado una serie de usos potenciales para los pequeños diamantes, incluida la mejora de las imágenes del microscopio electrónico y la creación de pequeños aparatos electrónicos.
Atracción constructiva
Para este estudio, el equipo de investigación aprovechó el hecho de que las diamondoides se atraen fuertemente entre sí, a través de lo que se conoce como fuerzas de van der Waals. (Esta atracción es lo que hace que las diamondoides microscópicas se agrupen en cristales similares al azúcar, que es la única razón por la que puede verlos a simple vista).
Comenzaron con los diamondoides más pequeños posibles (jaulas individuales que contienen solo 10 átomos de carbono) y unieron un átomo de azufre a cada uno. Flotando en una solución cada átomo de azufre unido con un solo ión de cobre. Esto creó el bloque de construcción básico de nanocables.
Los bloques de construcción luego se movieron uno hacia el otro, dibujado por la atracción de van der Waals entre las diamondoides, y unido a la punta creciente del nanoalambre.
Una ilustración muestra un grupo hexagonal de siete nanocables ensamblados por diamondoides. Cada cable tiene un núcleo conductor de electricidad hecho de átomos de cobre y azufre (esferas marrón y amarilla) rodeado por una cubierta diamondoide aislante. La atracción natural entre diamondoides impulsa el proceso de ensamblaje. Crédito:H. Yan et al., Materiales de la naturaleza
"Al igual que los bloques LEGO, solo encajan entre sí de ciertas maneras que están determinadas por su tamaño y forma, "dijo el estudiante graduado de Stanford Fei Hua Li, quienes desempeñaron un papel fundamental en la síntesis de los diminutos cables y en descubrir cómo crecían. "Los átomos de cobre y azufre de cada bloque de construcción terminaron en el medio, formando el núcleo conductor del alambre, y las diamondoides más voluminosas terminaron en el exterior, formando el caparazón aislante ".
Un conjunto de herramientas versátil para crear materiales novedosos
El equipo ya ha utilizado diamondoides para fabricar nanocables unidimensionales basados en cadmio, zinc, hierro y plata, incluidos algunos que crecieron lo suficiente para ver sin un microscopio, y han experimentado con la realización de las reacciones en diferentes disolventes y con otros tipos de rígidos, moléculas en forma de jaula, como los carboranos.
Los cables a base de cadmio son similares a los materiales utilizados en optoelectrónica, como diodos emisores de luz (LED), y los a base de zinc son como los que se utilizan en aplicaciones solares y en generadores de energía piezoeléctrica, que convierten el movimiento en electricidad.
"Puedes imaginarte tejiéndolos en telas para generar energía, ", Dijo Melosh." Este método nos da un conjunto de herramientas versátil donde podemos jugar con una serie de ingredientes y condiciones experimentales para crear nuevos materiales con propiedades electrónicas finamente ajustadas y una física interesante ".
Los teóricos dirigidos por el director de SIMES, Thomas Devereaux, modelaron y predijeron las propiedades electrónicas de los nanocables, que fueron examinados con rayos X en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford de SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para determinar su estructura y otras características.
