Los materiales quirales interactúan con la luz de maneras muy precisas que son útiles para construir mejores pantallas, sensores y dispositivos más potentes. Sin embargo, diseñar propiedades como la quiralidad de manera confiable a escala sigue siendo un desafío importante en la nanotecnología.
Los científicos de la Universidad Rice en el laboratorio de Junichiro Kono han desarrollado dos formas de fabricar conjuntos de nanotubos de carbono quirales (CNT) sintéticos a escala de oblea a partir de mezclas aquirales. Según un estudio publicado en Nature Communications , el "tornado" resultante y las películas delgadas "retorcidas y apiladas" pueden controlar la elipticidad (una propiedad de la luz polarizada) a un nivel y en un rango del espectro que antes estaba fuera de alcance.
"Estos enfoques nos han otorgado la capacidad de introducir quiralidad de manera deliberada y consistente en materiales que, hasta ahora, no exhibían esta propiedad en una escala macroscópica", dijo Jacques Doumani, estudiante graduado en física aplicada en Rice y autor principal del estudio. estudiar. "Nuestros métodos producen películas delgadas y flexibles con propiedades quirales ajustables."
Los CNT (estructuras cilíndricas huecas hechas de átomos de carbono) poseen notables propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas y ópticas. Un CNT de pared simple tiene un diámetro aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el de un solo cabello humano.
El problema es que la mayoría de las formas de fabricar CNT en mayores cantidades, lo cual es necesario para su uso en numerosas aplicaciones, normalmente producen conjuntos de nanotubos heterogéneos y desordenados. Estas arquitecturas aleatorias disminuyen el rendimiento general de un material.
La capacidad de crear cantidades suficientemente grandes de películas en las que los nanotubos tengan el mismo diámetro y orientación podría impulsar la innovación en una amplia gama de dominios, desde sistemas de información hasta aplicaciones médicas o energéticas.
"En investigaciones anteriores, demostramos que nuestra técnica de filtración al vacío puede lograr una alineación casi perfecta de nanotubos de carbono a escalas significativas", dijo Kono, profesor de ingeniería Karl F. Hasselmann, profesor de ingeniería eléctrica e informática y ciencia de materiales y nanoingeniería y uno de los investigadores principales del artículo. "Esta investigación nos permite llevar ese trabajo en una dirección nueva e interesante al introducir la quiralidad".
El descubrimiento de que el movimiento podía impartir un giro quiral a una disposición ordenada de CNT ocurrió enteramente por casualidad.
"Fue, literalmente, un giro inesperado", dijo Doumani, relatando cómo una bomba inestable colocada en la misma mesa que el sistema de filtración al vacío provocó vibraciones no deseadas que enrollaron la capa de CNT alineados en una espiral similar a un tornado.
"Estas vibraciones tuvieron un profundo impacto en la arquitectura de los nanotubos de carbono ensamblados, lo que nos impulsó a explorar y perfeccionar aún más este fenómeno recién descubierto", dijo. "Este descubrimiento casual nos permitió reconocer que podemos diseñar arquitecturas de nanotubos de carbono con las características deseadas ajustando los ángulos de rotación y las condiciones de agitación".
Kono comparó la simetría quiral resultante de las asambleas de la CNT con una "obra de arte".
"Estoy especialmente orgulloso de Jacques por seguir descubriendo que podemos combinar la filtración de nanotubos de carbono y la agitación para ajustar las características de estas películas a escala de oblea", afirmó Kono.
El segundo método para lograr la quiralidad implicó apilar películas CNT altamente alineadas en ángulo controlando el número de capas y los ángulos de torsión.
"Logramos un hito notable en el rango ultravioleta profundo, donde establecimos un nuevo récord de elipticidad", dijo Doumani. "Es más, en comparación con los competidores en este sector, nuestra técnica es muy sencilla de configurar. No necesitamos un sistema complejo para hacer estas películas".
Las técnicas se pueden utilizar para diseñar materiales para nuevos dispositivos optoelectrónicos, como LED, láseres, células solares y fotodetectores. También es una configuración que potencialmente puede usarse para fabricar películas quiral a escala de oblea usando otros nanomateriales como nanotubos de nitruro de boro y nanotubos de diseleniuro de tungsteno.
"Este descubrimiento es prometedor para diversas aplicaciones", afirmó Doumani. "En productos farmacéuticos y biomedicina, ofrece potencial en biodetección, imágenes de aguas profundas e identificación de compuestos útiles. En comunicación, podría mejorar la detección de misiles, asegurar canales de comunicación y reforzar las capacidades antiinterferencias. En ingeniería de computación cuántica, allana el camino para acoplamiento fotón-emisor más determinista.
"Estamos entusiasmados de ampliar esta técnica también a otros tipos de nanomateriales".
Más información: Jacques Doumani et al, Ingeniería quiral a escala de oblea con arquitecturas ordenadas de nanotubos de carbono, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43199-x
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Rice
