(Phys.org) —Dois pesquisadores em nível de graduação na Escola de Engenharia desenvolveram alguns dos menores nanobastões metálicos do mundo; um avanço científico significativo que seu orientador do corpo docente diz ser uma prova dos robustos programas de pós-graduação da UConn.

Trabalhando sob a orientação do Professor Hanchen Huang, pesquisador de pós-doutorado Xiaobin Niu e Ph.D. O candidato Stephen Stagon abriu novos caminhos ao desenvolver a estrutura teórica para o crescimento de nanobastões metálicos usando um processo conhecido como deposição física de vapor.

Os pesquisadores então usaram esse conhecimento para cultivar com sucesso nanobastões de metal nobre com 10 nanômetros de diâmetro, que são os menores já registrados usando deposição física de vapor. As descobertas foram publicadas recentemente em Cartas de revisão física , o jornal de física mais importante do mundo.

"Isso realmente abre a porta para uma infinidade de tecnologias, "diz Huang, Professor de Energia Sustentável do Connecticut Clean Energy Fund da UConn e autor sênior do estudo. “Sem o referencial teórico, não teríamos sido capazes de fazer esses pequenos nanobastões porque não tínhamos orientação científica. Esse conhecimento deve ter um grande impacto tecnológico na eletrônica, energia, e fabricação. "

Nanobastões de metal nobre - nanobastões feitos de metais que são resistentes à corrosão e oxidação - podem ser usados ​​em microeletrônica, alimentando tudo, desde células solares a telefones celulares. Anteriormente, o diâmetro mínimo dos nanobastões metálicos era teoricamente desconhecido, portanto, não havia um alvo claro para experimentos e nenhum insight sobre como abordar o alvo. Embora alguns pesquisadores tenham desenvolvido nanobastões metálicos com menos de 50 nanômetros de diâmetro, seu sucesso foi em grande parte baseado no acaso, observação, e evidências anedóticas. Houve problemas para duplicar o processo de maneira confiável para diferentes materiais, e as hastes muitas vezes se fundiam e se tornavam um filme quando seus diâmetros encolhiam perto da faixa de 10 nanômetros.

O desenvolvimento de uma teoria de forma fechada para o crescimento de nanobastões metálicos é o culminar de 10 anos de trabalho para Huang, que tem sido continuamente apoiado por bolsas de pesquisa do programa Office of Basic Energy Sciences Core do Departamento de Energia dos EUA. Os subsídios renováveis ​​são projetados para apoiar pesquisas fundamentais que ajudam os cientistas a compreender melhor, prever, e, em última análise, controlar a matéria e a energia no sistema eletrônico, atômico, e níveis moleculares.

Niu passou mais de um ano identificando as propriedades científicas do crescimento dos nanobastões por meio de formulação matemática e modelagem computacional, cuidadosamente colocando átomos em camadas sobre átomos para ver qual processo funcionou melhor. Stagon, Enquanto isso, realizou experimentos de validação de acompanhamento na UConn, bem como no Centro de Nanotecnologias Integradas do Laboratório Nacional de Los Alamos.

Um momento-chave veio quando a equipe descobriu que uma teoria clássica de longa data para o crescimento de nanorods era falha. A teoria sustentava que apenas as etapas de superfície de camada única eram estáveis, e as etapas de superfície de múltiplas camadas não eram, levando à impossibilidade de crescimento extremamente pequeno de nanobastões dentro da teoria anterior. Mas Huang, Niu, e Stagon descobriu exatamente o oposto, que as etapas de superfície de multicamadas são cineticamente estáveis, e ditam como as camadas subsequentes de adátomos se posicionam - um desenvolvimento fundamental para a produção de nanobastões de metal nobre com 10 nanômetros de diâmetro ou menos.

Ao alterar outras condições de crescimento, como o tipo de substrato, o ângulo de deposição, e a temperatura usada no processo, a equipe de pesquisa foi capaz de cultivar nanobastões com aproximadamente 10 nanômetros de diâmetro e claramente separados uns dos outros, outra característica importante que ajuda a capacitar seu desempenho.

"Quando você produz nanobastões metálicos de 10 nanômetros ou menos de diâmetro, os nanoefeitos assumem o controle e você começa a tirar proveito das propriedades da nanoescala sobre as quais todos estão escrevendo e falando, "diz Stagon, um nativo de Connecticut que foi um dos melhores alunos em sua turma de Engenharia Mecânica da UConn quando se formou em 2009. Stagon também recebeu uma prestigiosa bolsa federal de Assistência de Pós-Graduação em Áreas de Necessidade Nacional (GAANN), que parcialmente apoiou sua pesquisa nanorod.

Menor é sempre melhor quando se trata de nanobastões metálicos, Huang diz. Os metais nobres sofrem mudanças fundamentais na escala de 10 nanômetros de diâmetro.

"Quando pensamos em ouro, vemos que sua cor é ouro, "Huang diz." Mas quando você atinge menos de 10 nanômetros de diâmetro, você começa a ver ouro roxo, ouro azul, ouro verde, e todos os tipos de cores. Quando você vai abaixo de 10 nanômetros, o elemento também se torna quimicamente reativo. Suas propriedades mudam. Você pode começar a controlar sua condutividade elétrica. "

Ter nanobastões claramente separados também é fundamental, Huang diz. Quando as hastes estão bem unidas, é difícil acrescentar algo a eles individualmente. Mas se eles estão bem separados, você pode colocar um anel ou um revestimento neles, aumentando ainda mais suas propriedades e potencial.

"Isso era algo que não era possível antes, "Huang diz." Com a descoberta, nossos colegas agora podem revestir nanobastões mais baratos com um catalisador muito caro para coisas como tecnologias avançadas de células de combustível. Isso é muito emocionante. "

Max G. Lagally, Professor Erwin W. Mueller e professor Bascom de ciência de superfície na Universidade de Wisconsin-Madison, diz que o trabalho de Huang com nanoestruturas metálicas tem avançado a compreensão dos pesquisadores sobre o processo de crescimento.

"Hanchen dedicou muito de seu esforço nos últimos 10 anos para compreender em nível atomístico o crescimento de nanoestruturas metálicas, e mostrou como, em particular, etapas medeiam o crescimento ..., "diz Lagally." O professor Huang levou esses conceitos um passo adiante aqui para demonstrar como a existência de etapas pode ser usada para controlar o tamanho dos nanobastões, em particular, como torná-los extremamente finos. O trabalho é fascinante e baseia-se em princípios teóricos sólidos. "

O principal objetivo da equipe de pesquisa era definir a estrutura científica por trás do crescimento do nanorod metálico e mostrar, teoricamente, como nanobastões muito finos poderiam ser cultivados. Na verdade, cultivar nanobastões claramente separados de 10 nanômetros de diâmetro foi uma recompensa adicional - e que eles quase perderam.

Uma das peculiaridades de trabalhar com nanobastões no nível de 10 nanômetros de diâmetro é que você dificilmente pode vê-los na maioria dos microscópios. Também, quando os nanobastões de ouro citados no estudo foram feitos pela primeira vez, eles pareciam verdes. Quando Stagon colocou o material sob um microscópio eletrônico de varredura para obter uma visão melhor, a princípio, tudo o que viu foi um campo cinza.

"É realmente testar o limite de resolução de qualquer microscópio eletrônico de varredura, "Stagon diz." Felizmente, o microscópio do Centro de Engenharia de Energia Limpa da UConn está entre os melhores. "

Stagon diz que a experiência o ensinou a apreciar plenamente os benefícios da ciência da engenharia básica e como ela é crucial para o avanço da tecnologia e da indústria. Seu objetivo de longo prazo é ser professor para que possa transmitir a importância da ciência básica para outros engenheiros em formação.

Niu diz que o projeto é "o trabalho mais importante e emocionante" que ele já fez.

"Existem muitas derivações na matemática, "diz Niu, que foi recentemente promovido a professor assistente de pesquisa. "Quando você finalmente encontrar a equação, quando você olha para ele e é tão simples e bonito, e então você faz simulações e os resultados refletem a equação, Não consigo descrever o quão feliz você se sente. "

Huang diz que o sucesso de Stagon e Niu reflete o compromisso da UConn e de seu corpo docente sênior em recrutar e apoiar alunos de graduação e pesquisadores de pós-doutorado de primeira linha. Autoridades federais reconheceram a força dos programas de pós-graduação da UConn, emitindo 13 bolsas GAANN para estudantes de pós-graduação da UConn nos últimos sete anos.

"Prestamos muita atenção aos nossos alunos de pós-graduação e pós-doutorado, "Huang acrescenta." Não apenas temos sucesso em atrair estudantes americanos e internacionais extremamente talentosos, também temos muito sucesso em retê-los por meio de bolsas de estudo de prestígio e outros apoios. Eles são essenciais para o nosso sucesso de pesquisa e nossa missão universitária, porque afinal somos uma instituição educacional e nossa missão é proporcionar um ambiente para a próxima geração de engenheiros e prepará-los para suas futuras carreiras. "