Os materiais quirais interagem com a luz de maneiras muito precisas que são úteis para construir melhores monitores, sensores e dispositivos mais poderosos. No entanto, propriedades de engenharia como a quiralidade em escala confiável ainda são um desafio significativo na nanotecnologia.



Cientistas da Rice University no laboratório de Junichiro Kono desenvolveram duas maneiras de fazer conjuntos de nanotubos de carbono quirais sintéticos (CNT) em escala de wafer a partir de misturas aquirais. De acordo com um estudo publicado na Nature Communications , os filmes finos "tornado" e "torcidos e empilhados" resultantes podem controlar a elipticidade - uma propriedade da luz polarizada - em um nível e em uma faixa do espectro que antes estava amplamente fora de alcance.

"Essas abordagens nos concederam a capacidade de introduzir quiralidade de forma deliberada e consistente em materiais que, até agora, não exibiam essa propriedade em escala macroscópica", disse Jacques Doumani, estudante de pós-graduação em física aplicada na Rice e principal autor do estudo. estudar. "Nossos métodos produzem filmes finos e flexíveis com propriedades quirais ajustáveis."

Os CNTs – estruturas cilíndricas ocas feitas de átomos de carbono – possuem notáveis ​​propriedades elétricas, mecânicas, térmicas e ópticas. Um CNT de parede única tem um diâmetro aproximadamente 100.000 vezes menor que o de um único fio de cabelo humano.

O problema é que a maioria das maneiras de produzir CNTs em maiores quantidades, o que é necessário para uso em inúmeras aplicações, normalmente produz conjuntos de nanotubos heterogêneos e desordenados. Essas arquiteturas aleatórias diminuem o desempenho geral de um material.

A capacidade de criar quantidades suficientemente grandes de filmes em que os nanotubos tenham o mesmo diâmetro e orientação poderia alimentar a inovação numa vasta gama de domínios, desde sistemas de informação até aplicações médicas ou energéticas.

"Em pesquisas anteriores, mostramos que nossa técnica de filtração a vácuo pode alcançar um alinhamento quase perfeito de nanotubos de carbono em escalas significativas", disse Kono, professor de engenharia Karl F. Hasselmann, professor de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia e um dos principais investigadores do artigo. "Esta pesquisa nos permite levar esse trabalho em uma direção nova e excitante, introduzindo a quiralidade."

A descoberta de que o movimento poderia conferir uma reviravolta quiral a um arranjo ordenado da CNT aconteceu inteiramente por acaso.

“Foi, literalmente, uma reviravolta inesperada”, disse Doumani, contando como uma bomba instável colocada na mesma mesa que o sistema de filtragem a vácuo causou vibrações indesejadas que enrolaram a camada de CNTs alinhados em uma espiral semelhante a um tornado.

"Essas vibrações tiveram um impacto profundo na arquitetura dos nanotubos de carbono montados, levando-nos a explorar e refinar ainda mais esse fenômeno recém-descoberto", disse ele. "Essa descoberta casual nos permitiu reconhecer que podemos projetar arquiteturas de nanotubos de carbono com as características desejadas, ajustando os ângulos de rotação e as condições de agitação."

Kono comparou a simetria quiral resultante das montagens da CNT a uma “obra de arte”.

"Estou particularmente orgulhoso de Jacques por buscar a descoberta de que podemos combinar a filtragem de nanotubos de carbono e a agitação para ajustar as características desses filmes em escala de wafer", disse Kono.

O segundo método para alcançar a quiralidade envolveu o empilhamento de filmes CNT altamente alinhados em um ângulo, controlando o número de camadas e ângulos de torção.

“Alcançamos um marco notável na faixa ultravioleta profunda, onde estabelecemos um novo recorde de elipticidade”, disse Doumani. "Além do mais, em comparação com os concorrentes neste espaço, a nossa técnica é muito simples de configurar. Não precisamos de um sistema complexo para fazer estes filmes."

As técnicas podem ser usadas para projetar materiais para novos dispositivos optoeletrônicos, como LEDs, lasers, células solares e fotodetectores. É também uma configuração que pode ser potencialmente usada para fazer filme quiral em escala de wafer usando outros nanomateriais, como nanotubos de nitreto de boro e nanotubos de disseleneto de tungstênio.

"Esta descoberta é promissora para várias aplicações", disse Doumani. "Na indústria farmacêutica e na biomedicina, oferece potencial em biossensor, imagens de águas profundas e identificação de compostos úteis. Na comunicação, poderia melhorar a detecção de mísseis, proteger canais de comunicação e reforçar capacidades anti-interferência. Na engenharia de computação quântica, abre caminho para acoplamento fóton-emissor mais determinístico.

"Estamos entusiasmados em estender esta técnica também a outros tipos de nanomateriais."

Mais informações: Jacques Doumani et al, Engenharia de quiralidade em escala de wafer com arquiteturas ordenadas de nanotubos de carbono, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43199-x
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Rice University