Výzkumníci dosáhli významného průlomu ve vědě o materiálech vytvořením stabilních kovových nanotrubiček z disulfidu niobu – úspěch, který byl dlouho považován za nedosažitelný. Neočekávaná klíčová složka? Běžná stolní sůl. Tento objev, publikovaný v časopise ACS Nano, otevírá dveře rychlejší elektronice, supravodivým drátům a možná i budoucím kvantovým počítačům.
Nanotrubice jsou mikroskopické válečky svinutých atomů, kterých by se tisíce vešly na lidský vlas. Jejich jedinečná velikost a struktura jim dává mimořádné vlastnosti ve srovnání s tradičními sypkými materiály. Mohou být pevnější než ocel, ale lehčí než plast, vedou elektřinu efektivně s minimálním odporem, účinně přenášejí teplo a dokonce vykazují neobvyklé kvantové efekty.
Tyto vlastnosti učinily nanotrubice velmi vyhledávanými stavebními kameny pro pokročilé technologie. Předchozí úsilí se však z velké části soustředilo na vytváření nanotrubic z uhlíku (polovodičových nebo polokovových) a nitridu boru (izolační). Výroba kovových nanotrubic, které se na atomové úrovni chovají odlišně, se ukázala výrazně obtížnější.
Kovové nanotrubice mají obrovský potenciál díky své schopnosti vykazovat supravodivé vlastnosti – umožňující proudění elektřiny s nulovým odporem – a magnetické vlastnosti. „Tyto slupky mohou v principu vykazovat jevy, jako je supravodivost a magnetismus, které nejsou možné v izolačních nebo polovodičových verzích,“ vysvětluje Slávka V. Rotkinová, profesorka inženýrských a mechanických věd a vedoucí výzkumná pracovnice Pensylvánské státní univerzity. “Předchozí pokusy s uhlíkovými nanotrubičkami nedosáhly těchto vlastností kvůli nedostatečné elektronové hustotě.”
Tým se zaměřil na disulfid niobu, kov známý svou supravodivostí v hromadné formě. Podařilo se jim extrahovat tento kov do neuvěřitelně tenkých trubek – miliardtin metru v průměru – obalením kolem šablon vyrobených z uhlíkových a nitridových nanotrubiček boru.
Tento proces tváření se ukázal být klíčovým průlomem: disulfid niobu obvykle preferuje vytváření plochých desek.
Neočekávaným řešením bylo mikroskopické přidání kuchyňské soli v růstovém bodě procesu. “V některých ohledech to bylo jako alchymie,” říká Rotkin. “Přidáte tuto drobnou přísadu a najednou se reakce změní. Bez soli se disulfid niobu zplošťuje; spolu s ním obalí nanotrubičku a vytvoří potřebné slupky.”
Další překvapení se objevila během pozorování. Namísto toho, aby většinou tvořily jednostěnné trubice, tyto nanotrubice preferovaly dvouvrstvou strukturu – jako vnořená brčka.
Rotkin naznačuje, že tento neobvyklý tvar je způsoben elektrickou aktivitou mezi vrstvami. “Se dvěma vrstvami mohou elektrony přeskakovat z jedné na druhou,” vysvětluje, “fungovat jako atomový kondenzátor, který stabilizuje celou strukturu.” Tuto teorii podporují výpočetní modely.
Tento jedinečný skládaný tvar také řeší přetrvávající problém při práci s plochými 2D materiály. K vytvoření nanovláken z těchto plátků vědci obvykle používají litografii, podobnou leptání vzorů na křemíkových krystalech. V takovém mikroskopickém měřítku však řezání zanechává zubaté hrany, které ohrožují vlastnosti materiálu.
“Když to srolujete,” poznamenává Rotkin, “získáte skořepinu bez visících vazeb. Průměr skořepiny vám přesně říká, jaké bude chování. Nanotrubičky jsou mnohem méně náhodné než nanovlákna vyřezaná z dvourozměrných plátů.” Tato přesnost by mohla učinit kovové nanotrubice neocenitelné pro aplikace, které vyžadují spolehlivý výkon v nanoměřítku.
Přestože je výzkum stále v rané fázi, tento prototyp nám poskytuje pohled na vzrušující možnosti. “Jsou to předběžné výsledky,” říká Rotkin, “ale ukazují, že můžeme pěstovat kovové nanotrubice a začít chápat jejich stabilitu. Odtud můžeme začít přemýšlet o tom, jak je integrovat do technologie.”
Projekt zdůrazňuje sílu mezinárodní spolupráce. „Toto není práce, kterou lze dělat izolovaně,“ zdůrazňuje Rotkin. “Vyžaduje to tým s různorodým zázemím a já mám to štěstí, že jsem součástí takového týmu.”
Budoucí výzkum by mohl připravit cestu pro supravodivé dráty umožňující rychlejší elektroniku a také prozkoumat aplikace v kvantových počítačích – technologiích, které se spoléhají na využití jedinečných vlastností materiálů v nanoměřítku.
