(Phys.org) —Dos investigadores de posgrado de la Facultad de Ingeniería han cultivado algunas de las nanovarillas metálicas más pequeñas del mundo; un avance científico significativo que, según su asesor de la facultad, es un testimonio de los sólidos programas de educación de posgrado de UConn.

Trabajando bajo la dirección del profesor Hanchen Huang, investigador postdoctoral Xiaobin Niu y Ph.D. El candidato Stephen Stagon abrió nuevos caminos cuando desarrollaron el marco teórico para el crecimiento de nanobarras metálicas utilizando un proceso conocido como deposición física de vapor.

Luego, los investigadores utilizaron ese conocimiento para hacer crecer con éxito nanobarras de metales nobles de 10 nanómetros de diámetro, que son los más pequeños jamás registrados usando deposición física de vapor. Los hallazgos fueron publicados recientemente en Cartas de revisión física , la revista de física más importante del mundo.

"Esto realmente abre la puerta a una multitud de tecnologías, "dice Huang, Profesor del Fondo de Energía Limpia de Connecticut de UConn en Energía Sostenible y autor principal del estudio. "Sin el marco teórico, no hubiéramos podido hacer estas pequeñas nanovarillas porque no teníamos orientación científica. Este conocimiento debe tener un gran impacto tecnológico en la electrónica, energía, y fabricación ".

Las nanovarillas de metales nobles (nanovarillas hechas de metales resistentes a la corrosión y la oxidación) se pueden utilizar en microelectrónica, alimentando todo, desde células solares hasta teléfonos móviles. Previamente, el diámetro mínimo de las nanobarras metálicas era teóricamente desconocido, por lo que no había un objetivo claro para los experimentos ni información sobre cómo abordar el objetivo. Si bien algunos investigadores han cultivado nanobarras metálicas de menos de 50 nanómetros de diámetro, su éxito se basó en gran medida en el azar, observación, y evidencia anecdótica. Hubo problemas para duplicar de manera confiable el proceso para diferentes materiales, y las varillas a menudo se fusionaban y se convertían en una película cuando sus diámetros se reducían cerca del rango de los 10 nanómetros.

El desarrollo de una teoría de forma cerrada para el crecimiento de nanobarras metálicas es la culminación de 10 años de trabajo para Huang, quien ha sido apoyado continuamente por becas de investigación del programa básico de la Oficina de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía de EE. UU. Las subvenciones renovables están diseñadas para respaldar la investigación fundamental que ayuda a los científicos a comprender mejor, predecir, y, en última instancia, controlar la materia y la energía a nivel electrónico, atómico, y niveles moleculares.

Niu pasó más de un año determinando las propiedades científicas del crecimiento de las nanovarillas a través de la formulación matemática y el modelado computacional. colocando cuidadosamente los átomos sobre los átomos para ver qué proceso funcionó mejor. Stagon, mientras tanto, llevado a cabo experimentos de validación de acompañamiento en UConn, así como en el Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio Nacional de Los Alamos.

Un momento clave llegó cuando el equipo descubrió que una teoría clásica de larga data para el crecimiento de nanobarras era defectuosa. La teoría sostenía que solo los escalones de superficie de una sola capa eran estables, y los pasos de superficie de múltiples capas no lo eran, lo que lleva a la imposibilidad de un crecimiento de nanovarillas extremadamente pequeño dentro de la teoría anterior. Pero Huang, Niu, y Stagon encontró todo lo contrario, que los escalones de superficie multicapa son cinéticamente estables, y dictan cómo se posicionan las capas subsiguientes de adatoms, un desarrollo clave para producir nanobarras de metales nobles de 10 nanómetros de diámetro o menos.

Alterando otras condiciones de crecimiento como el tipo de sustrato, el ángulo de deposición, y la temperatura utilizada en el proceso, el equipo de investigación pudo cultivar con éxito nanobarras de aproximadamente 10 nanómetros de diámetro y claramente separadas entre sí, otro rasgo importante que ayuda a posibilitar su desempeño.

"Cuando se producen nanobarras metálicas de 10 nanómetros de diámetro o menos, los nanoefectos toman el control y comienzas a aprovechar esas propiedades a nanoescala de las que todo el mundo está escribiendo y hablando, "dice Stagon, un nativo de Connecticut que fue uno de los mejores estudiantes en su clase de Ingeniería Mecánica de la UConn cuando se graduó en 2009. Stagon también recibió una prestigiosa beca federal de Asistencia para Graduados en Áreas de Necesidad Nacional (GAANN), que apoyó parcialmente su investigación de nanobarras.

Cuanto más pequeño es siempre mejor cuando se trata de nanobarras metálicas, Dice Huang. Los metales nobles sufren cambios fundamentales en la escala de 10 nanómetros de diámetro.

"Cuando pensamos en oro, vemos que su color es dorado, "Dice Huang." Pero cuando bajas de 10 nanómetros de diámetro, empiezas a ver oro purpura, oro azul, oro Verde, y todo tipo de colores. Cuando desciende por debajo de los 10 nanómetros, el elemento también se vuelve químicamente reactivo. Sus propiedades cambian. Puede comenzar a controlar su conductividad eléctrica ".

Tener nanobarras que estén claramente separadas también es clave, Dice Huang. Cuando las varillas están bien entrelazadas, es difícil agregarles algo individualmente. Pero si están bien separados, puedes ponerles un anillo o una capa, mejorando aún más sus propiedades y potencial.

"Esto era algo que antes no era posible, "Dice Huang." Con el descubrimiento, nuestros colegas ahora pueden recubrir nanobarras más baratas con un catalizador muy costoso para cosas como tecnologías avanzadas de celdas de combustible. Esto es muy emocionante ".

Max G. Lagalmente, Erwin W. Mueller, profesor y profesor de ciencias de la superficie de Bascom en la Universidad de Wisconsin-Madison, dice que el trabajo de Huang con nanoestructuras metálicas ha avanzado la comprensión de los investigadores sobre el proceso de crecimiento.

"Hanchen ha dedicado gran parte de su esfuerzo en los últimos 10 años a comprender a nivel atomístico el crecimiento de nanoestructuras metálicas, y ha mostrado como, en particular, pasos median el crecimiento…, "dice Lagally." El profesor Huang ha llevado estos conceptos un paso más allá aquí para demostrar cómo la existencia de pasos se puede utilizar para controlar el tamaño de las nanovarillas, en particular, cómo hacerlos extremadamente delgados. El trabajo es fascinante y se basa en sólidos principios teóricos ".

El objetivo principal del equipo de investigación era definir el marco científico detrás del crecimiento de nanobarras metálicas y mostrar, teóricamente, cómo se pueden cultivar nanobarras muy delgadas. En realidad, el crecimiento de nanobarras claramente separadas de 10 nanómetros de diámetro fue una recompensa adicional, y casi la pierden.

Una de las peculiaridades de trabajar con nanobarras al nivel de 10 nanómetros de diámetro es que apenas se pueden ver con la mayoría de los microscopios. También, cuando se hicieron por primera vez las nanovarillas de oro citadas en el estudio, se veían verdes. Cuando Stagon colocó el material bajo un microscopio electrónico de barrido para obtener una mejor vista, al principio todo lo que vio fue un campo gris.

"Realmente está probando el límite de resolución de cualquier microscopio electrónico de barrido, "Dice Stagon". Afortunadamente, el microscopio del Centro de Ingeniería de Energía Limpia de la UConn se encuentra entre los mejores ".

Stagon dice que la experiencia le ha enseñado a apreciar plenamente los beneficios de la ciencia de la ingeniería básica y lo crucial que es para promover la tecnología y la industria. Su objetivo a largo plazo es ser profesor para poder transmitir la importancia de la ciencia básica a otros ingenieros en ciernes.

Niu dice que el proyecto es "el trabajo más importante y emocionante" que ha realizado.

"Hay muchas derivaciones en matemáticas, "dice Niu, quien recientemente fue ascendido a profesor asistente de investigación. "Cuando finalmente encuentre la ecuación, cuando lo miras y es tan simple y hermoso, y luego haces simulaciones y los resultados reflejan la ecuación, No puedo describir lo feliz que te hace sentir ".

Huang dice que el éxito de Stagon y Niu refleja el compromiso de UConn y su cuerpo docente senior para reclutar y apoyar a estudiantes graduados e investigadores postdoctorales de primer nivel. Los funcionarios federales han reconocido la solidez de los programas de posgrado de UConn al otorgar 13 becas GAANN a estudiantes de posgrado de UConn durante los últimos siete años.

"Prestamos mucha atención a nuestros estudiantes de posgrado y posdoctorado, "Huang agrega." No solo logramos atraer a estudiantes estadounidenses e internacionales extremadamente talentosos, también tenemos mucho éxito en retenerlos a través de prestigiosas becas y otros apoyos. Son fundamentales tanto para el éxito de nuestra investigación como para nuestra misión universitaria, porque después de todo somos una institución educativa y nuestra misión es proporcionar un entorno para la próxima generación de ingenieros y prepararlos para sus futuras carreras ".