Un proceso de filtración simple ayudó a los investigadores de la Universidad de Rice a crear películas a escala de obleas de nanotubos de carbono muy alineados y compactos.

Científicos de Rice, con el apoyo del Laboratorio Nacional de Los Alamos, han hecho películas de una pulgada de ancho densamente empaquetadas, nanotubos de carbono de pared simple enriquecidos con quiralidad a través de un proceso revelado hoy en Nanotecnología de la naturaleza .

En la solución adecuada de nanotubos y en las condiciones adecuadas, los tubos se ensamblan por millones en largas filas que están mejor alineadas de lo que se creía posible, informaron los investigadores.

Las películas delgadas ofrecen posibilidades para hacer dispositivos electrónicos y fotónicos flexibles (manipulación de luz), dijo el físico de Rice Junichiro Kono, cuyo laboratorio dirigió el estudio. Piense en un chip de computadora flexible, en lugar de uno quebradizo de silicio, y el potencial se vuelve claro, él dijo.

"Una vez que tengamos cristales de un centímetro formados por nanotubos de quiralidad única, eso es todo, "Dijo Kono." Ese es el santo grial para este campo. Durante los últimos 20 años, la gente ha estado buscando esto ".

El laboratorio de Rice se acerca, él dijo, pero las películas reportadas en el artículo actual están "enriquecidas por quiralidad" en lugar de una quiralidad simple. Un nanotubo de carbono es un cilindro de grafeno, con sus átomos dispuestos en hexágonos. La forma en que se giran los hexágonos establece la quiralidad del tubo, y eso determina sus propiedades electrónicas. Algunos son semiconductores como el silicio, y otros son conductores metálicos.

Una película de perfectamente alineada, Los nanotubos de quiralidad simple tendrían propiedades electrónicas específicas. Controlar la quiralidad permitiría películas sintonizables, Kono dijo, pero los nanotubos crecen en lotes de tipos aleatorios.

Por ahora, los investigadores de Rice utilizan un proceso simple desarrollado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología para separar los nanotubos por quiralidad. Si bien no es perfecto, fue suficiente permitir que los investigadores hicieran películas enriquecidas con nanotubos de diferentes tipos y diámetros y luego fabricaran polarizadores de terahercios y transistores electrónicos.

El laboratorio de Rice descubrió la técnica de filtración a finales de 2013 cuando los estudiantes graduados y los autores principales Xiaowei He y Weilu Gao agregaron inadvertidamente demasiada agua a una suspensión de nanotubos-surfactante antes de pasarla a través de un filtro asistido por vacío. (Los tensioactivos evitan que los nanotubos en una solución se aglutinen).

La película que se formó en el filtro de papel requirió una mayor investigación. "Weilu comprobó la película con un microscopio electrónico de barrido y vio algo extraño, "Dijo. En lugar de dejar caer al azar sobre el papel como si fueran palos, los nanotubos, millones de ellos, se habían unido en forma apretada, filas alineadas.

"Esa primera imagen nos dio una pista de que podríamos tener algo totalmente diferente, "Dijo. Un año y más de 100 películas después, los estudiantes y sus colegas habían refinado su técnica para hacer obleas de nanotubos de hasta una pulgada de ancho (limitado solo por el tamaño de su equipo) y de cualquier grosor, desde unos pocos hasta cientos de nanómetros.

Experimentos posteriores revelaron que cada elemento importaba:el tipo de papel de filtro, la presión de vacío y la concentración de nanotubos y tensioactivo. Se trabajaron nanotubos de cualquier quiralidad y diámetro, pero cada uno requirió ajustes en los otros elementos para optimizar la alineación.

Las películas se pueden separar del papel y lavar y secar para su uso, dijeron los investigadores.

Sospechan que los nanotubos de carbono de paredes múltiples y los nanotubos que no son de carbono, como el nitruro de boro, también funcionarían.

Coautor Wade Adams, un miembro de la facultad senior de Rice que se especializa en ciencia de polímeros, dijo que el descubrimiento es un paso adelante en una larga búsqueda de estructuras alineadas.

"Formaron lo que se llama un monodominio en la tecnología de cristal líquido, en el que todas las moléculas rígidas se alinean en la misma dirección, "Dijo Adams." Es asombroso. (El fallecido premio Nobel de Rice) Rick Smalley y yo trabajamos muy duro durante años para hacer un solo cristal de nanotubos, pero estos estudiantes en realidad lo han hecho de una manera que ninguno de nosotros imaginamos ".

¿Por qué se alinean los nanotubos? Kono dijo que el equipo todavía está investigando la mecánica de la nucleación, es decir, cómo se unen los primeros nanotubos del papel. "Creemos que los nanotubos caen al azar al principio, pero aún pueden deslizarse por el papel, ", dijo." La fuerza de Van der Waals los une, y naturalmente buscan su estado de energía más baja, que está alineado ". Debido a que los nanotubos varían en longitud, los investigadores sospechan que los voladizos obligan a otros tubos a alinearse cuando se unen a la matriz.

Los investigadores descubrieron que sus películas terminadas podían modelarse con técnicas de litografía estándar. Esa es otra ventaja para los fabricantes, dijo Kono, que comenzó a escuchar rumores sobre el descubrimiento meses antes del lanzamiento del periódico.

"Di una charla invitada sobre nuestro trabajo en una conferencia de nanotubos de carbono, y muchas personas ya están intentando reproducir nuestros resultados, ", dijo." Recibí una respuesta muy entusiasta justo después de mi charla. Todos pidieron la receta ".