Um dos problemas de longa data de trabalhar com nanomateriais - substâncias em escala molecular e atômica - é controlar seu tamanho. Quando seu tamanho muda, suas propriedades também mudam. Isso sugere que o controle uniforme sobre o tamanho é fundamental para usá-los de forma confiável como componentes na eletrônica.

Dito de outra forma, "se você não controlar o tamanho, você terá falta de homogeneidade no desempenho, "diz Mark Hersam." Você não quer que alguns de seus telefones celulares funcionem, e outros não. "

Hersam, professor de engenharia científica de materiais, química e medicina na Northwestern University, desenvolveu um método para separar nanomateriais por tamanho, portanto, fornecendo uma consistência em propriedades que de outra forma não estão disponíveis. Além disso, a solução veio direto das ciências da vida - bioquímica, na verdade.

A tecnica, conhecido como ultracentrifugação de gradiente de densidade, é um processo de décadas usado para separar biomoléculas. O cientista financiado pela National Science Foundation (NSF) teorizou corretamente que poderia adaptá-lo para separar nanotubos de carbono, folhas enroladas de grafeno (uma única camada atômica de átomos de carbono ligados hexagonalmente), há muito reconhecidos por suas aplicações potenciais em computadores e tablets, telefones inteligentes e outros dispositivos portáteis, fotovoltaica, baterias e bioimagem.

A técnica provou ser tão bem-sucedida que Hersam e sua equipe agora possuem duas dúzias de patentes pendentes ou emitidas, e em 2007 estabeleceu sua própria empresa, NanoIntegris, arrancou com $ 150, 000 Subsídio para pequenas empresas da NSF. A empresa conseguiu aumentar a produção em 10, 000 vezes, e atualmente tem 700 clientes em 40 países.

“Agora temos capacidade para produzir dez vezes a demanda mundial por esse material, "Hersam diz.

NSF apóia Hersam com US $ 640, 000 bolsa de investigador individual concedida em 2010 por cinco anos. Também, ele dirige o Centro de Pesquisa e Engenharia de Materiais da Northwestern (MRSEC), que a NSF financia, incluindo apoio a aproximadamente 30 docentes / pesquisadores.

Hersam também recebeu recentemente uma das prestigiosas bolsas MacArthur deste ano, a $ 625, Prêmio 000 sem compromisso, popularmente conhecido como um subsídio "gênio". Isso vai para pessoas talentosas que mostraram extraordinária originalidade e dedicação em seus campos, e têm como objetivo incentivar os beneficiários a explorar livremente seus interesses, sem medo de correr riscos.

"Isso nos permitirá assumir mais riscos em nossas pesquisas, uma vez que não há 'marcos' que temos que cumprir, " ele diz, referindo-se a uma necessidade frequente de muitos financiadores. "Eu também tenho um grande interesse em ensinar, portanto, usarei os fundos para influenciar o maior número possível de alunos. "

O processo de separação de nanotubos de carbono, que Hersam desenvolveu, começa com um tubo de centrífuga. Para isso, "carregamos uma solução à base de água e introduzimos um aditivo que nos permite ajustar a densidade de flutuação da própria solução, " ele explica.

"O que criamos é um gradiente na densidade flutuante da solução aquosa, com baixa densidade na parte superior e alta densidade na parte inferior, "ele continua." Nós então carregamos os nanotubos de carbono e os colocamos na centrífuga, que conduz os nanotubos através do gradiente. Os nanotubos se movem pelo gradiente até que sua densidade corresponda à do gradiente. O resultado é que os nanotubos formam bandas separadas no tubo de centrífuga por densidade. Uma vez que a densidade do nanotubo é uma função de seu diâmetro, este método permite a separação por diâmetro. "

Uma propriedade que distingue esses materiais dos semicondutores tradicionais, como o silício, é que eles são mecanicamente flexíveis. "Os nanotubos de carbono são altamente resilientes, "Hersam diz." Isso nos permite integrar a eletrônica em substratos flexíveis, como roupas, sapatos, e pulseiras para monitoramento em tempo real de diagnósticos biomédicos e desempenho atlético. Esses materiais têm a combinação certa de propriedades para realizar a eletrônica vestível. "

Ele e seus colegas também estão trabalhando em tecnologias de energia, como células solares e baterias "que podem melhorar a eficiência e reduzir o custo das células solares, e aumentar a capacidade e reduzir o tempo de carregamento das baterias, "ele diz." As baterias e células solares resultantes também são mecanicamente flexíveis, e, portanto, pode ser integrado com eletrônicos flexíveis. "

Provavelmente até serão à prova d'água. "Acontece que os nanomateriais de carbono são hidrofóbicos, então a água vai rolar deles, " ele diz.

Os materiais em escala nanométrica agora "podem realizar novas propriedades e combinações de propriedades sem precedentes, "acrescenta." Isto não só melhorará as tecnologias atuais, mas permitir novas tecnologias no futuro. "