Los nanocables, fibras microscópicas que se pueden "cultivar" en el laboratorio, son un tema de investigación candente en la actualidad, con una variedad de aplicaciones potenciales que incluyen diodos emisores de luz (LED) y sensores. Ahora, Un equipo de investigadores del MIT ha encontrado una forma de controlar con precisión el ancho y la composición de estos pequeños hilos a medida que crecen. haciendo posible el crecimiento de estructuras complejas que están diseñadas de manera óptima para aplicaciones particulares.

Los resultados se describen en un nuevo artículo escrito por la profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales del MIT, Silvija Gradečak, y su equipo. publicado en la revista Nano letras .

Los nanocables han sido de gran interés porque las estructuras con dimensiones tan pequeñas, por lo general, solo unas pocas decenas de nanómetros, o mil millonésimas de metro, de diámetro:pueden tener propiedades muy diferentes a las que tienen los mismos materiales en su forma más grande. Eso se debe en parte a que a escalas tan minúsculas, Los efectos de confinamiento cuántico, basados ​​en el comportamiento de los electrones y fonones dentro del material, comienzan a desempeñar un papel importante en el comportamiento del material. lo que puede afectar la forma en que conduce la electricidad y el calor o interactúa con la luz.

Además, Debido a que los nanocables tienen una superficie especialmente grande en relación con su volumen, son especialmente adecuados para su uso como sensores, Gradečak dice.

Su equipo pudo controlar y variar tanto el tamaño como la composición de los cables individuales a medida que crecían. Los nanocables se cultivan mediante el uso de partículas de "semillas", nanopartículas metálicas que determinan el tamaño y la composición del nanoalambre. Al ajustar la cantidad de gases utilizados en el crecimiento de los nanocables, Gradečak y su equipo pudieron controlar el tamaño y la composición de las partículas de semillas y, por lo tanto, los nanocables a medida que crecían. "Podemos controlar ambas propiedades simultáneamente, " ella dice. Mientras los investigadores llevaban a cabo sus experimentos de crecimiento de nanocables con nitruro de indio y nitruro de galio indio, dicen que la misma técnica podría aplicarse a una variedad de materiales diferentes.

Estos nanocables son demasiado pequeños para verlos a simple vista, pero el equipo pudo observarlos mediante microscopía electrónica, haciendo ajustes al proceso de crecimiento basados ​​en lo que aprendieron sobre los patrones de crecimiento. Mediante un proceso llamado tomografía electrónica, fueron capaces de reconstruir la forma tridimensional de cables individuales a nanoescala. En un estudio relacionado publicado recientemente en la revista Nanoescala , El equipo también utilizó una técnica única de microscopía electrónica llamada catodoluminiscencia para observar qué longitudes de onda de luz se emiten desde diferentes regiones de nanocables individuales.

Los nanocables estructurados con precisión podrían facilitar una nueva generación de dispositivos semiconductores, Gradečak dice. Dicho control de la geometría y la composición de los nanocables podría permitir dispositivos con una mejor funcionalidad que los dispositivos convencionales de película delgada hechos de los mismos materiales. ella dice.

Una aplicación probable de los materiales desarrollados por Gradečak y su equipo son las bombillas LED, que tienen una durabilidad mucho mayor y son más eficientes energéticamente que otras alternativas de iluminación. Los colores de luz más importantes que se pueden producir a partir de los LED se encuentran en el rango azul y ultravioleta; Los nanocables de óxido de zinc y nitruro de galio producidos por el grupo MIT pueden potencialmente producir estos colores de manera muy eficiente y a bajo costo. ella dice.

Si bien las bombillas LED están disponibles en la actualidad, son relativamente caros. "Para aplicaciones diarias, el alto costo es una barrera, ”Dice Gradečak. Una gran ventaja de este nuevo enfoque es que podría permitir el uso de materiales de sustrato mucho menos costosos, una parte importante del costo de tales dispositivos. que hoy en día suelen utilizar sustratos de zafiro o carburo de silicio. Los dispositivos de nanocables también tienen el potencial de ser más eficientes, ella dice.

Dichos nanocables también podrían encontrar aplicaciones en colectores de energía solar para paneles solares de menor costo. Ser capaz de controlar la forma y composición de los alambres a medida que crecen podría hacer posible producir colectores muy eficientes:los alambres individuales forman monocristales sin defectos, reduciendo la energía perdida debido a fallas en la estructura de las células solares convencionales. Y controlando las dimensiones exactas de los nanocables, es posible controlar a qué longitudes de onda de luz están "sintonizados", ya sea para producir luz en un LED o para recoger luz en un panel solar.

Las estructuras complejas hechas de nanocables con diámetros variables también podrían ser útiles en nuevos dispositivos termoeléctricos para capturar el calor residual y convertirlo en energía eléctrica útil. Variando la composición y el diámetro de los alambres a lo largo de su longitud, Es posible producir cables que conduzcan bien la electricidad pero que se calienten mal, una combinación que es difícil de lograr en la mayoría de los materiales. pero es clave para sistemas de generación termoeléctrica eficientes.

Los nanocables se pueden producir utilizando herramientas que ya se utilizan en la industria de los semiconductores. por lo que los dispositivos deberían ser relativamente fáciles de preparar para la producción en masa, dice el equipo.

Zhong Lin Wang, el profesor Regents y presidente de Hightower en ciencia e ingeniería de materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia, dice que poder controlar la estructura y composición de los nanocables es “de vital importancia para controlar sus propiedades a nanoescala. El ajuste fino del comportamiento de crecimiento "de estos materiales" abre la posibilidad de fabricar nuevos dispositivos optoelectrónicos que probablemente tengan un rendimiento superior ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.