Naukowcy osiągnęli znaczący przełom w materiałoznawstwie, tworząc stabilne nanorurki metalowe z dwusiarczku niobu – sukces, który długo uważano za nieosiągalny. Nieoczekiwany kluczowy składnik? Zwykła sól kuchenna. Odkrycie to, opublikowane w czasopiśmie ACS Nano, otwiera drzwi do szybszej elektroniki, przewodów nadprzewodzących, a być może nawet przyszłych komputerów kwantowych.
Nanorurki to mikroskopijne cylindry zwiniętych atomów, których tysiące mogłyby zmieścić się na ludzkim włosie. Ich unikalny rozmiar i struktura nadają im niezwykłe właściwości w porównaniu z tradycyjnymi materiałami sypkimi. Mogą być mocniejsze niż stal, ale lżejsze od plastiku, skutecznie przewodzić prąd przy minimalnym oporze, skutecznie przekazywać ciepło, a nawet wykazywać niezwykłe efekty kwantowe.
Te cechy sprawiły, że nanorurki są bardzo poszukiwanymi elementami składowymi zaawansowanych technologii. Jednak poprzednie wysiłki skupiały się głównie na tworzeniu nanorurek z węgla (półprzewodnikowego lub półmetalicznego) i azotku boru (izolującego). Wytworzenie metalowych nanorurek, które zachowują się inaczej na poziomie atomowym, okazało się znacznie trudniejsze.
Nanorurki metalowe mają ogromny potencjał ze względu na ich zdolność do wykazywania właściwości nadprzewodzących – umożliwiających przepływ prądu przy zerowym oporze – oraz właściwości magnetycznych. „Te powłoki mogą w zasadzie wykazywać zjawiska takie jak nadprzewodnictwo i magnetyzm, które nie są możliwe w wersjach izolacyjnych lub półprzewodnikowych” – wyjaśnia Slavka V. Rotkin, profesor inżynierii i nauk mechanicznych oraz główny badacz na Pennsylvania State University. „Wcześniejsze próby z nanorurkami węglowymi nie pozwoliły osiągnąć tych właściwości ze względu na niewystarczającą gęstość elektronową”.
Zespół skupił się na dwusiarczku niobu, metalu znanym ze swojego nadprzewodnictwa w postaci masowej. Udało im się wyodrębnić ten metal do niewiarygodnie cienkich rurek o średnicy miliardowych części metra, owijając go wokół szablonów wykonanych z nanorurek węgla i azotku boru.
Ten proces formowania okazał się kluczowym przełomem: dwusiarczek niobu zazwyczaj preferuje formowanie płaskich płyt.
Nieoczekiwanym rozwiązaniem był mikroskopijny dodatek soli kuchennej w punkcie wzrostu procesu. „W pewnym sensie było to jak alchemia” – mówi Rotkin. „Dodajesz ten drobny składnik i nagle reakcja się zmienia. Bez soli dwusiarczek niobu staje się płaski, a wraz z nim otacza nanorurkę i tworzy niezbędne otoczki”.
W trakcie obserwacji pojawiły się kolejne niespodzianki. Zamiast tworzyć głównie jednościenne rurki, te nanorurki preferowały strukturę dwuwarstwową – przypominającą zagnieżdżone słomki.
Rotkin sugeruje, że ten niezwykły kształt wynika z aktywności elektrycznej pomiędzy warstwami. „Dzięki dwóm warstwom elektrony mogą przeskakiwać z jednej na drugą” – wyjaśnia – „zachowując się jak kondensator atomowy, który stabilizuje całą strukturę”. Modele obliczeniowe potwierdzają tę teorię.
Ten unikalny, złożony kształt rozwiązuje również uporczywy problem podczas pracy z płaskimi materiałami 2D. Aby wytworzyć nanowłókna z tych płytek, naukowcy zazwyczaj wykorzystują litografię, podobną do wzorów trawienia na kryształach krzemu. Jednak w tak mikroskopijnej skali cięcie pozostawia postrzępione krawędzie, które pogarszają właściwości materiału.
„Jeśli go zwiniesz” – zauważa Rotkin – „otrzymasz skorupę bez zwisających wiązań. Średnica skorupy mówi dokładnie, jakie będzie zachowanie. Nanorurki są znacznie mniej przypadkowe niż nanowłókna wycięte z dwuwymiarowych arkuszy”. Ta precyzja może sprawić, że nanorurki metalowe będą nieocenione w zastosowaniach wymagających niezawodnego działania w nanoskali.
Chociaż badania są wciąż na wczesnym etapie, ten prototyp daje nam wgląd w ekscytujące możliwości. „To wstępne wyniki” – mówi Rotkin – „ale pokazują, że możemy wyhodować metalowe nanorurki i zacząć rozumieć ich stabilność. Od tego momentu możemy zacząć myśleć o tym, jak zintegrować je z technologią”.
Projekt podkreśla siłę współpracy międzynarodowej. „Nie jest to praca, którą można wykonać w izolacji” – podkreśla Rotkin. „Wymaga to zespołu o różnorodnych doświadczeniach i mam szczęście, że jestem częścią takiego zespołu”.
Przyszłe badania mogą utorować drogę drutom nadprzewodzącym umożliwiającym szybszą elektronikę, a także zbadać zastosowania w komputerach kwantowych – technologiach polegających na wykorzystaniu unikalnych właściwości materiałów w nanoskali
