Onderzoekers hebben een belangrijke doorbraak in de materiaalkunde bereikt door stabiele metalen nanobuisjes te maken uit niobiumdisulfide – een prestatie die lang als ongrijpbaar werd beschouwd. Het onverwachte sleutelingrediënt? Gewoon keukenzout. Deze ontdekking, gepubliceerd in ACS Nano, opent deuren naar snellere elektronica, supergeleiderdraden en mogelijk zelfs toekomstige kwantumcomputers.
Nanobuisjes zijn minuscule cilinders van opgerolde atomen, waarvan er duizenden door een mensenhaar zouden kunnen passen. Hun unieke formaat en structuur geven ze buitengewone eigenschappen vergeleken met traditionele bulkmaterialen. Ze kunnen sterker zijn dan staal maar lichter dan plastic, elektriciteit efficiënt geleiden met minimale weerstand, warmte effectief overdragen en zelfs ongebruikelijke kwantumeffecten vertonen.
Deze kenmerken hebben ervoor gezorgd dat nanobuisjes zeer gewilde bouwstenen zijn voor geavanceerde technologieën. Eerdere inspanningen waren echter vooral gericht op het maken van nanobuisjes uit koolstof (halfgeleider of halfmetaal) en boornitride (isolerend). Het vervaardigen van metalen nanobuisjes, die zich op atomair niveau anders gedragen, bleek een aanzienlijke uitdaging.
Metalen nanobuisjes zijn veelbelovend vanwege hun potentieel om supergeleiding te vertonen – waardoor elektriciteit zonder weerstand kan stromen – en magnetisme. “Deze granaten kunnen in principe fenomenen als supergeleiding en magnetisme vertonen, die onmogelijk zijn in isolerende of halfgeleidende versies”, legt Slava V. Rotkin, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica en hoofdonderzoeker aan Penn State, uit. “Eerdere pogingen met koolstofnanobuisjes hebben deze eigenschappen niet bereikt vanwege onvoldoende elektronendichtheid.”
Het team concentreerde zich op niobiumdisulfide, een metaal dat bekend staat om zijn supergeleiding in bulkvorm. Ze hebben dit metaal met succes in ongelooflijk dunne buisjes gebracht – miljardsten van een meter breed – door het rond sjablonen te wikkelen die gemaakt zijn van koolstof- en boornitride-nanobuisjes.
Dit vormingsproces bleek de belangrijkste doorbraak: normaal gesproken vormt niobiumdisulfide de voorkeur aan vlakke platen.
De onverwachte oplossing? Een minuscule toevoeging van tafelzout op een precies punt in het groeiproces. “In zekere zin leek het op alchemie”, zegt Rotkin. “Je voegt dit kleine ingrediënt toe en plotseling verandert de reactie. Zonder zout wordt het niobiumdisulfide plat; daarmee omhult het de nanobuis en vormt het de schillen die we nodig hebben.”
Tijdens de observatie kwamen er nog meer verrassingen naar voren. In plaats van voornamelijk enkellaagse buizen te vormen, gaven deze nanobuisjes de voorkeur aan een structuur met dubbele schaal, vergelijkbaar met geneste rietjes.
Rotkin stelt dat deze ongebruikelijke formatie wordt veroorzaakt door elektrische activiteit tussen de lagen. ‘Met twee lagen kunnen elektronen van de ene naar de andere springen,’ legt hij uit, ‘en werken als een condensator ter grootte van een atoom die de hele structuur stabiliseert.’ Computationele modellen ondersteunen deze theorie.
Deze unieke gerolde vorm biedt ook een oplossing voor een aanhoudende uitdaging bij het werken met platte 2D-materialen. Om van deze vellen nanodraden te maken, gebruiken wetenschappers doorgaans lithografie, vergelijkbaar met het etsen van patronen op siliciumchips. Op zulke minuscule schaalgroottes laat het snijwerk echter gekartelde randen achter die de eigenschappen van het materiaal verstoren.
“Als je het oprolt”, merkt Rotkin op, “heb je een schaal zonder bungelende bindingen. De diameter van de schaal vertelt je precies wat het gedrag zal zijn. Nanobuisjes zijn veel minder willekeurig dan nanodraden gesneden uit tweedimensionale platen.” Deze precisie zou metalen nanobuisjes van onschatbare waarde kunnen maken voor toepassingen die betrouwbare prestaties op nanoschaal vereisen.
Hoewel het onderzoek zich nog in de beginfase bevindt, biedt deze proof-of-concept een kijkje in spannende mogelijkheden. “Dit zijn vroege resultaten”, zegt Rotkin, “maar ze laten zien dat we metallische nanobuisjes kunnen laten groeien en hun stabiliteit kunnen beginnen te begrijpen. Vanaf hier kunnen we gaan nadenken over hoe we ze in technologieën kunnen integreren.”
Het project onderstreept de kracht van internationale samenwerking. “Dit is geen werk dat geïsoleerd kan worden gedaan”, benadrukt Rotkin. “Er is een team nodig met uiteenlopende expertise, en ik had het geluk deel uit te maken van zo’n team.”
Toekomstig onderzoek zou de weg kunnen vrijmaken voor supergeleiderdraden die snellere elektronica mogelijk maken, en toepassingen in quantum computing kunnen onderzoeken – technologieën die afhankelijk zijn van het benutten van de unieke eigenschappen van materialen op nanoschaal
