Esta animação mostra blocos de construção moleculares unindo-se à ponta de um nanofio em crescimento. Cada bloco consiste em um diamondoide - o menor pedaço possível de diamante - ligado a átomos de enxofre e cobre (esferas amarelas e marrons). Como blocos de LEGO, eles só se encaixam de certas maneiras que são determinadas por seu tamanho e forma. Os átomos de cobre e enxofre formam um fio condutor no meio, e os diamantóides formam uma camada externa isolante. Crédito:SLAC National Accelerator Laboratory
Cientistas da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia descobriram uma maneira de usar diamondoides - os menores pedaços de diamante possíveis - para reunir átomos nos fios elétricos mais finos possíveis, apenas três átomos de largura.
Ao pegar vários tipos de átomos e colocá-los juntos no estilo LEGO, a nova técnica pode potencialmente ser usada para construir fios minúsculos para uma ampla gama de aplicações, incluindo tecidos que geram eletricidade, dispositivos optoeletrônicos que empregam eletricidade e luz, e materiais supercondutores que conduzem eletricidade sem qualquer perda. Os cientistas relataram seus resultados hoje em Materiais da Natureza .
"O que mostramos aqui é que podemos fazer minúsculos, fios condutores do menor tamanho possível que essencialmente se montam, "disse Hao Yan, pesquisador de pós-doutorado em Stanford e autor principal do artigo. "O processo é simples, síntese em um único vaso. Você despeja os ingredientes juntos e pode obter os resultados em meia hora. É quase como se os diamantóides soubessem para onde querem ir. "
Quanto menor melhor
Embora existam outras maneiras de obter materiais para automontagem, este é o primeiro mostrado a fazer um nanofio com um sólido, núcleo cristalino que tem boas propriedades eletrônicas, disse o co-autor do estudo Nicholas Melosh, professor associado do SLAC e Stanford e investigador do SIMES, o Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia do SLAC.
Os fios em forma de agulha têm um núcleo semicondutor - uma combinação de cobre e enxofre conhecido como calcogeneto - rodeado por diamondoides anexados, que formam uma casca isolante.
Aglomerados brancos difusos de nanofios em uma bancada de laboratório, com um centavo por escala. Montado com a ajuda de diamantóides, os nanofios microscópicos podem ser vistos a olho nu porque a forte atração mútua entre suas conchas diamondoides os faz se agrupar, neste caso, aos milhões. No canto superior direito, uma imagem feita com um microscópio eletrônico de varredura mostra aglomerados de nanofios ampliados em 10, 000 vezes. Crédito:imagem SEM por Hao Yan / SIMES; foto do SLAC National Accelerator Laboratory
Seu tamanho minúsculo é importante, Melosh disse, porque um material que existe em apenas uma ou duas dimensões - como pontos em escala atômica, fios ou folhas - podem ter muito diferentes, propriedades extraordinárias em comparação com o mesmo material feito a granel. O novo método permite aos pesquisadores montar esses materiais com controle e precisão átomo por átomo.
Os diamantóides que eles usaram como ferramentas de montagem são minúsculos, gaiolas interligadas de carbono e hidrogênio. Encontrado naturalmente em fluidos de petróleo, eles são extraídos e separados por tamanho e geometria em um laboratório SLAC. Na última década, um programa de pesquisa SIMES liderado por Melosh e SLAC / Stanford Professor Zhi-Xun Shen encontrou uma série de usos potenciais para os pequenos diamantes, incluindo a melhoria das imagens do microscópio eletrônico e a fabricação de pequenos aparelhos eletrônicos.
Atração Construtiva
Para este estudo, a equipe de pesquisa aproveitou o fato de que os diamantóides são fortemente atraídos uns pelos outros, através do que são conhecidas como forças de van der Waals. (Essa atração é o que faz os diamondoides microscópicos se aglomerarem em cristais semelhantes ao açúcar, que é a única razão pela qual você pode vê-los a olho nu.)
Eles começaram com os menores diamantóides possíveis - gaiolas individuais que contêm apenas 10 átomos de carbono - e anexaram um átomo de enxofre a cada um. Flutuando em uma solução, cada átomo de enxofre ligado a um único íon de cobre. Isso criou o bloco básico de construção do nanofio.
Os blocos de construção então se aproximaram um do outro, atraídos pela atração van der Waals entre os diamondoides, e anexado à ponta crescente do nanofio.
Uma ilustração mostra um cluster hexagonal de sete nanofios montados por diamondoides. Cada fio possui um núcleo eletricamente condutor feito de átomos de cobre e enxofre (esferas marrons e amarelas) envolto por uma concha diamondoide isolante. A atração natural entre os diamantóides impulsiona o processo de montagem. Crédito:H. Yan et al., Materiais da Natureza
"Muito parecido com os blocos de LEGO, eles só se encaixam de certas maneiras que são determinadas por seu tamanho e forma, "disse o estudante de graduação de Stanford Fei Hua Li, que desempenhou um papel fundamental em sintetizar os minúsculos fios e descobrir como eles cresceram. "Os átomos de cobre e enxofre de cada bloco de construção acabaram no meio, formando o núcleo condutor do fio, e os diamondoides mais volumosos acabaram do lado de fora, formando a casca isolante. "
Um kit de ferramentas versátil para a criação de novos materiais
A equipe já usou diamondoides para fazer nanofios unidimensionais à base de cádmio, zinco, ferro e prata, incluindo alguns que cresceram o suficiente para ver sem um microscópio, e eles experimentaram realizar as reações em diferentes solventes e com outros tipos de rígidos, moléculas em forma de gaiola, como carboranos.
Os fios à base de cádmio são semelhantes aos materiais usados na optoeletrônica, como diodos emissores de luz (LEDs), e os baseados em zinco são como aqueles usados em aplicações solares e em geradores de energia piezoelétricos, que convertem movimento em eletricidade.
"Você pode imaginar tecê-los em tecidos para gerar energia, "Melosh disse." Este método nos dá um kit de ferramentas versátil onde podemos mexer com uma série de ingredientes e condições experimentais para criar novos materiais com propriedades eletrônicas bem ajustadas e física interessante. "
Teóricos liderados pelo Diretor do SIMES, Thomas Devereaux, modelaram e previram as propriedades eletrônicas dos nanofios, que foram examinados com raios-X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource da SLAC, um DOE Office of Science User Facility, para determinar sua estrutura e outras características.
