Он может выглядеть как рулон проволочной сетки, но этот крошечный цилиндр из атомов углерода — слишком маленький, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом — однажды можно будет использовать для изготовления электронных устройств — от очков ночного видения и детекторов движения до более эффективных солнечных батарей, благодаря методам, разработанным исследователями из Университета Дьюка.
Их работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Впервые обнаруженные в начале 1990-х годов, углеродные нанотрубки состоят из отдельных листов атомов углерода, скрученных, как соломинка.
Углерод — не совсем новомодный материал. Вся жизнь на Земле основана на углероде. Это то же самое, что содержится в алмазах, угле и карандашах. Что делает углеродные нанотрубки особенными, так это их замечательные свойства. Эти крошечные цилиндры прочнее стали, но при этом настолько тонкие, что 50 000 из них равняются толщине человеческого волоса.
Они также удивительно хорошо проводят электричество и тепло, поэтому в стремлении к созданию более быстрой, меньшей и более эффективной электроники углеродные нанотрубки уже давно рекламируются как потенциальная замена кремния.
Но производство нанотрубок с особыми свойствами является непростой задачей.
В зависимости от того, как они свернуты, некоторые нанотрубки считаются металлическими — это означает, что через них могут проходить электроны с любой энергией. Проблема в том, что их нельзя отключить. Это ограничивает их использование в цифровой электронике, которая использует включенные или выключенные электрические сигналы для хранения двоичных состояний; точно так же, как кремниевые полупроводниковые транзисторы переключаются между битами 0 и 1 для выполнения вычислений.
Профессор химии из Дьюка Майкл Териен и его команда говорят, что нашли способ обойти эту проблему. Этот подход использует металлическую нанотрубку, которая всегда пропускает ток, и преобразует ее в полупроводниковую форму, которую можно включать и выключать.
Секрет заключается в особых полимерах — веществах, молекулы которых соединены в длинные цепочки, — которые обвивают нанотрубку по упорядоченной спирали, «подобно наматыванию ленты на карандаш», — сказал первый автор Франческо Мастрочинке, получивший докторскую степень по химии. . в лаборатории Териена в Дьюке.
Они обнаружили, что эффект обратим. Обертывание нанотрубки в полимер меняет ее электронные свойства с проводника на полупроводник. Но если нанотрубку развернуть, она вернется в исходное металлическое состояние.
Исследователи также показали, что, изменив тип полимера, окружающего нанотрубку, они могут создавать новые типы полупроводниковых нанотрубок. Они могут проводить электричество, но только тогда, когда приложено необходимое количество внешней энергии.
«Этот метод представляет собой новый тонкий инструмент», — сказал Териен. «Это позволяет создавать полупроводники по дизайну».
Практическое применение метода, вероятно, еще далеко. «Мы далеки от создания устройств», — добавил Териен.
Мастрочинке и его соавторы говорят, что эта работа важна, потому что это способ разработать полупроводники, которые могут проводить электричество при попадании на них света определенных низкоэнергетических длин волн, которые являются обычными, но невидимыми для человеческого глаза.
В будущем, например, работа команды Дьюка может помочь другим разработать нанотрубки, которые обнаруживают тепло, выделяемое в виде инфракрасного излучения , чтобы обнаруживать людей или транспортные средства, спрятанные в тени. Когда инфракрасный свет, например, излучаемый теплокровными животными, попадает на один из этих гибридов нанотрубок и полимера, он генерирует электрический сигнал.
Или возьмем солнечные элементы: эту технику можно использовать для изготовления полупроводников на основе нанотрубок, которые преобразуют более широкий диапазон длин волн в электричество, чтобы использовать больше солнечной энергии.
Благодаря спиральной обертке на поверхности нанотрубок эти структуры также могут стать идеальными материалами для новых форм вычислений и хранения данных , которые используют спины электронов в дополнение к их заряду для обработки и переноса информации.
