Investigadores utilizan los diamantes más pequeños del mundo para hacer alambres de tres átomos de ancho.

Los científicos de la Universidad de Stanford y el laboratorio del Departamento acelerador nacional de energía SLAC,  han descubierto una manera de usar diamondoids - los bits más pequeño posible de diamante - para instalar los átomos en los cables eléctricos  más delgados, de sólo tres átomos de ancho.

Esta animación muestra los bloques de construcción moleculares uniendo la punta de un nanocable creciente. Cada bloque consta de un diamondoid--la broca más pequeña posible de diamante--unido a átomos de azufre y cobre (esferas de color amarillas y marrón). Como bloques de LEGO, se acoplarán entre sí solamente en ciertas maneras que están determinados por su tamaño y forma. Los átomos de cobre y azufre forman un hilo conductor en el medio y la forma de los diamondoids un aislante exterior. Crédito: SLAC National Accelerator laboratory.

Juntando varios tipos de átomos y ponerlos juntos estilo LEGO, la nueva técnica podría utilizarse potencialmente para construir pequeños cables para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo tejidos que generan electricidad, dispositivos optoelectrónicos que emplean electricidad y luz y materiales superconductores para conducer  electricidad sin pérdida. Los científicos reportaron sus resultados en Nature Materials.

"Hemos demostrado que podemos hacer cables diminutos, conductores del tamaño esencialmente más pequeño posible," dijo Hao Yan, un investigador postdoctoral de Stanford y autor principal del artículo. "El proceso es una síntesis simple. Volcar los ingredientes juntos y usted puede conseguir resultados en media hora. Es casi como si los diamondoids saben donde quieren ir".

Cuanto más pequeño, mejor.

Aunque hay otras maneras de obtener materiales para montar uno, esta es la primera vez que se muestra para hacer un nanocable con un núcleo sólido, cristalino que tiene buenas propiedades electrónicas, dijo el coautor del estudio  Nicholas Melosh, profesor asociado en SLAC y Stanford e investigador con SIMES, el Instituto de Stanford para los materiales y Ciencias de la energía en el SLAC.

Los hilos de aguja tienen un núcleo semiconductor - una combinación de cobre y azufre conocidos como un calcógeno - rodeado por el diamondoid adjunto, que forma una carcasa aislante.

Su minúsculo tamaño es importante,  dijo Melosh, porque un material que existe en sólo una o dos dimensiones - como puntos de escala atómica, alambres o láminas - puede tener propiedades muy diferentes, extraordinarias en comparación con el mismo material hecho a granel. El nuevo método permite a los investigadores reunir esos materiales átomo por átomo con precisión y control.

Los diamondoids se ,utilizaron como herramientas son minúsculos, que se enclavijan en jaulas de carbono e hidrógeno. Se encuentran de forma natural en los líquidos del petróleo, son extraídos y separados por tamaño y geometría en un laboratorio SLAC. En la última década, un  programa SIMES de investigación conducido por Melosh y SLAC/Stanford por el profesor Zhi-Xun Shen ha encontrado un número de usos potenciales para los diamantes pequeños, incluyendo la mejora de imágenes de microscopio electrónico y pequeños aparatos electrónicos.

Atracción constructiva

Para este estudio, el equipo de investigación tomó ventaja del hecho de que los diamondoids son fuertemente atraídos entre sí, por lo que se conoce como fuerzas de van der Waals. (Esta atracción es lo que hace que en el microscopio los diamondoids puedan agruparse en cristales de azúcar, que es la única razón que se les puede ver con el ojo desnudo).

Comenzaron con el más pequeño posible diamondoid - jaulas individuales que contienen 10 átomos de carbono - y se había unido a un átomo de azufre a cada uno. Flotando en una solución, cada átomo de azufre Unido con un solo ión de cobre. Esto creó el bloque de edificio básico de nanocable.

Los bloques de construcción se desviaron entonces hacia el otro, dibujado por la atracción de van der Waals entre los diamondoids y atado a la punta creciente del nanocable.

"Como bloques de LEGO, se acoplarán entre sí solamente en ciertas maneras que están determinadas por su tamaño y forma," dijo el estudiante graduado de Stanford Fei Hua Li, que desempeñó un papel crítico en sintetizar los cables pequeños y averiguar cómo crecieron. "Los átomos de cobre y azufre de cada bloque de edificio van para arriba en el medio, formando el núcleo conductor de un hilo y los más voluminosos diamondoids van para arriba en el exterior, formando la cáscara aislante."

Una herramienta versátil para la creación de nuevos materiales

El equipo ya ha utilizado diamondoids hacer nanohilos unidimensionales basados en cadmio, cinc, hierro y plata, incluyendo algunos que crecieron lo suficiente para verse sin un microscopio, y han experimentado con llevar a cabo las reacciones en diferentes solventes y con otros tipos de moléculas rígidas, jaula, así como carboranes.

Los cables de cadmio son similares a los materiales utilizados en la optoelectrónica, como diodos emisores de luz (LEDs), y los basados en zinc como los utilizados en aplicaciones de energía solar y generadores de energía piezoeléctrica, que convierten el movimiento en electricidad.

 

"Te imaginas tejiendo esto en telas para generar energía", dijo Melosh. "Este método nos brinda un conjunto de herramientas versátiles donde nosotros podemos jugar con un número de ingredientes y condiciones experimentales para crear nuevos materiales con propiedades electrónicas finamente sintonizados y física interesante."

Los teóricos dirigidos por el  Director de SIMES Thomas Devereaux modelaron y predijeron las propiedades electrónicas de los nanohilos, que examinaron con rayos x en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource de SLAC, una DOE usuario oficina de  ciencia  para determinar su estructura y otras características.