Nanoväänded: muudetava funktsionaalsusega grafeen-nanomaterjalid

Elektroonilised vidinad muutuvad üha väiksemateks, seda tänu aatomskaalas seadmetega. Mitmed teadlased usuvad aga, et selle kahanemise lõpp pole enam kaugel: ilma alternatiivita ränipõhistele tehnoloogiatele jääb elektroonikaseadmete suurus pidama. Üheks paljulubavaks alternatiiviks on aga grafeen – õhim materjal, mis inimesele teada. Puhas grafeen pole aga pooljuht, ent siiski saab seda muuta nii, et ilmneksid hämmastavad elektroonilised omadused. Parimate grafeenipõhiste materjalide leidmine tooks endaga kaasa nanoelektroonika, optika ja spintroonika uue põlvkonna.

Rensselaer’i Polütehnilise Instituudi teadlased kasutasid maailma ühe võimsaima ülikoolipõhise superarvuti abi, et kirjeldada grafeeni uue vormi – nn. nanoväänete (ingl. k. nanowiggle) – omadused. Leiti, et grafiidi nanoribasid saab eraldada mitmeteks erinevateks pinnastruktuurideks ehk nanovääneteks. Igaüks neist struktuuridest omab väga erinevaid magnetilisi ja juhtivusomadusi. Antud uurimuse tulemuste abil saavad teadlased justkui šablooni abil valida välja need grafeeni nanostruktuurid, mis sobivad antud konkreetse ülesande jaoks, kirjutab Physorg.com.

,,Grafeen-nanomaterjalidel on suurel hulgal huvitavaid omadusi, kuid siiani on raske olnud valmistada defektivabasid struktuure. Seega on need raskestivalmistatavad nanostruktuurid innovatsiooni ja turu vahel praktiliselt ületamatuks barjääriks,” sõnas üks uurimuses osalenud teadlasi Vincent Meunier. ,,Nanoväänete eeliseks on see, et neid saab lihtsasti ja kiiresti väga pikkade ja homogeensetena valmistada.”

Nanoväänded avastasid alles hiljuti Šveitsi EMPA teadlased. Need nanoribad moodustatakse alt-üles meetodil, sest need pannakse keemiliselt aatom-aatomi kaupa kokku. See on väga erinev lähenemine tavalise grafeeni valmistamise meetodiga võrreldes, kus võetakse olemasolev materjal ja lõigatakse sellest välja uus struktuur. See protsess annab tihti materjali, mis pole mitte täielikult sirge vaid omab sakilisi ääri.

Nanoväändeid saab kergesti valmistada ning muuta, et anda parasjagu tahetavad juhtivad omadused. Meunier ja tema töörühm otsustasid nanoväändeid lähemalt uurida, et selle tulevikurakendusi paremini mõista.

,,Meie nanoväänete omaduste analüüsi tulemused olid veelgi üllatavamad kui varem arvatud,” sõnas Meunier.

Teadlased uurisid arvutusliku analüüsi abil erinevaid nanoväänete struktuure. Neil struktuuridel on oma äärte kuju järgi erinevad nimetused, nende hulgas tugitool (ingl. k. armchair), tugitool/siksak (ingl. k armchair/zigzag), siksak ning siksak/tugitool. Kõik nanoribade äärte struktuurid näevad välja väändelised, justkui üle puulehe roomav röövik. Meunier nimetas need struktuurid nanovääneteks, märkides, et kõigil neil on täiesti erinevad omadused.

Uurimusest selgus, et erinevatel nanoväänetel olid väga erinevate suurustega keelutsoonid. Keelutsooni laius määrab ära selle, kui hästi aine elektrit juhib. Seega olid sõltuvat juhtivusest ja keelutsooni laiusest ainete magnetilised omadused erinevad. Selle teadmise abil saavad teadlased oma rakendusele mõeldes valmistada just sobiva keelutsooni ja magnetiliste omadustega nanostruktuuri.

Meunieri ja tema töögrupi uurimuse tulemuseks onjuhend selleks, kuidas nanomaterjale lihtsalt valmistada ja erinevateks rakendusteks, seehulgas fotoelementide, pooljuhtide ja spintroonika jaoks sobivalt kohandada.

Tänu superarvuti kasutamisele kulus kõigi arvutuste tegemiseks vaid mõni kuu. ,,Ilma selleta kestaksid need arvutused ka aasta pärast ning me poleks seda huvitavat avastust teinud. See eksperiment on selgelt hea näide superarvutite olulisest rollist teaduses,” ütles Meunier.

Allikas

Teadusartikkel: “Emergence of Atypical Properties in Assembled Graphene Nanoribbons“