Imagen de microscopio electrónico de barrido del circuito eléctrico de medición de resistividad, en el que una única nanobobina de carbono hace un excelente contacto con los electrodos. Crédito:(c) Universidad Tecnológica de Toyohashi
Las nanobobinas de carbono (CNC) son una clase exótica de nanocarbonos de baja dimensión cuya forma helicoidal puede hacerlos adecuados para aplicaciones como absorbedores de microondas y varios componentes mecánicos como resortes. Los espesores y diámetros de bobina típicos de los CNC se encuentran dentro de los rangos de 100-400 nm y 400-1000 nm, respectivamente, y sus longitudes completas son mucho más grandes, del orden de varias decenas de micrómetros. A pesar del trabajo pionero anterior, las relaciones entre la forma geométrica de los CNC naturales y sus propiedades mecánicas y eléctricas, particularmente la resistividad eléctrica, no se entienden bien.
Ahora, investigadores de Toyohashi Tech, Universidad de Yamanashi, Instituto Nacional de Tecnología, Universidad Gifu, y Tokai Carbon Co., Ltd. han establecido que la resistividad de los CNC aumenta con el diámetro de la bobina. Esto requirió el desarrollo de un método de medición de resistividad preciso, utilizando un haz de iones enfocado (FIB) y una técnica de nanomanipulador para seleccionar una muestra de CNC con la geometría de bobina deseada y luego hacer conexiones eléctricas firmes a los electrodos del instrumento. Todos los datos de resistividad obtenidos con los CNC estaban bien ajustados por una curva predicha por una teoría conocida como salto de rango variable (VRH), que es adecuado para materiales desordenados a bajas temperaturas.
La investigación muestra que el interior de la nanobobina contiene material que afecta sus propiedades eléctricas. Los científicos examinaron 15 CNC individuales, y tres CNC que habían sido grafitizados artificialmente para darles menor resistividad (G-CNC). Aunque la resistividad de los CNC aumentó con el diámetro de la bobina, prácticamente no se modificó para los G-CNC. Como consecuencia, para los CNC con los mayores diámetros, la resistividad era casi dos órdenes de magnitud mayor que la de las versiones grafitizadas. Esta gran discrepancia en la resistividad entre los CNC y los G-CNC indica una complejidad estructural significativa dentro de los CNC. Nuestros resultados implican que el interior de los CNC con un gran diámetro de bobina está lleno de una red de carbono altamente desordenada que consta de muchas regiones pequeñas (conocidas como dominios sp2) incrustadas en un mar de carbono amorfo. Para verificar esta teoría, Se examinó la dependencia de la resistividad con la temperatura entre 4 K y 280 K. Los datos de resistividad obedecieron a dos versiones diferentes de la teoría VRH; se encontró que el régimen en el rango de temperatura de 50-280 K era la llamada versión Mott-VRH, mientras que en el rango de 4-20 K estaba la versión Efros-Shklovskii-VRH. Curiosamente, las curvas de resistividad cambiaron suavemente entre regímenes a medida que se cambiaba el diámetro de la bobina.
"Encontramos este comportamiento hace tres años. Gracias a los esfuerzos de dos estudiantes, incluimos los datos de resistividad para G-CNC y nanofibras de carbono simples (CNF), y los comparamos con los datos de los CNC ", explica el profesor asociado Yoshiyuki Suda, "Estoy muy contento de que el Prof. Hiroyuki Shima y el Dr. Tamio Iida se unieran a este estudio. Obtuvimos los datos de medición de baja temperatura y los discutimos usando la teoría VRH. Finalmente, llegamos a la conclusión de que este comportamiento es un fenómeno único para los CNC y puede ser ajustado por VRH ".
Dependencia de la resistividad de las nanobobinas de carbono de la temperatura, para diferentes diámetros de bobina. Los ejes del gráfico, log resistividad (ρ) y T-1/4, se utilizan para simplificar la representación de la dependencia funcional. Las líneas continuas en esta figura muestran el mejor ajuste a los datos con el modelo Mott-VRH. Crédito:(c) Universidad Tecnológica de Toyohashi
El primer autor, Estudiante del curso de maestría Yasushi Nakamura, comentó cómo fueron más allá de las mediciones de resistividad CNC de otros grupos. "Fue una tarea larga y desafiante. Tuve que preparar muchas muestras individuales de CNC usando un aparato de haz de iones enfocado. Nuestro hallazgo se logró estableciendo un sistema de medición preciso usando un microscopio electrónico de barrido y adquiriendo datos de resistividad para muchos CNC individuales".
Los resultados actuales del grupo sobre resistividad concuerdan cualitativamente con sus hallazgos previos sobre las propiedades mecánicas de los CNC:Los experimentos de carga de tracción mostraron que su módulo de corte aumenta con el diámetro de la bobina. La correlación positiva entre el módulo de corte y el diámetro de la bobina posiblemente se deba al hecho de que en los CNC de gran diámetro, la población de dominios sp2, que son frágiles frente al esfuerzo cortante, se reduce en comparación con los CNC de diámetro pequeño.
Estudiante del curso de maestría (graduado en marzo de 2016) Yasushi Nakamura (izquierda) y profesor asociado Yoshiyuki Suda (derecha). Crédito:(c) Universidad Tecnológica de Toyohashi
Estos resultados implican que, con nanobobinas, tanto la resistencia como la inductancia están definidas por factores geométricos. En particular, diámetro de la bobina, terreno de juego, y la longitud son importantes. La correlación encontrada se puede utilizar para mejorar el control sobre la frecuencia máxima de absorción de ondas electromagnéticas, en el que se absorbe un rango particular de frecuencias (~ GHz), depende de las propiedades de impedancia.
Estos hallazgos allanan el camino para los nanodispositivos basados en CNC, que van desde absorbedores de ondas electromagnéticas hasta nano-solenoides y resortes mecánicos extrasensibles.
