Ученые случайно изобрели нанокабель

Бла­го­даря счаст­ли­вой слу­чай­но­сти, иссле­до­ва­тели из Уни­вер­си­тета Райса создали кро­шеч­ный коак­си­аль­ный кабель, кото­рый при­мерно в тысячу раз тоньше чело­ве­че­ского волоса и имеет более высо­кую емкость, чем любой из извест­ных микро конденсаторов.

Нано­ка­бель, ста­тья о кото­ром появи­лась на этой неделе в жур­нале Nature Communications, был полу­чен бла­го­даря мето­дам, исполь­зу­е­мых в иссле­до­ва­ниях гра­фена, и может быть исполь­зо­ван для созда­ния нового поко­ле­ния энер­го­сбе­ре­га­ю­щих систем. Он также может найти при­ме­не­ние в про­из­вод­стве лабо­ра­то­рий на чипе, но ничего этого не было бы, если бы не случай.

Мы не ожи­дали, что созда­дим что-то подоб­ное, когда начи­нали”,- ска­зал соав­тор иссле­до­ва­ния Джун Лу, доцент кафедры маши­но­стро­е­ния и мате­ри­а­ло­ве­де­ния Райса. “С самого начала нас дви­гало про­сто любо­пыт­ство, мы хотели посмот­реть, что про­изой­дет, элек­три­че­ски и меха­ни­че­ски, если мы возь­мем неболь­шую мед­ную про­во­локу и покроем ее тон­ким слоем углерода”.

Кро­шеч­ный коак­си­аль­ный кабель уди­ви­тельно похож на те, кото­рые несут сиг­налы кабель­ного теле­ви­де­ния в мил­ли­оны домов и офи­сов. Сер­деч­ник кабеля — это твер­дая мед­ная про­во­лока, кото­рая покрыта тон­кой обо­лоч­кой из оксида меди. Поверх него рас­по­ла­га­ется дру­гой про­вод­ник. В слу­чае с теле­ви­зи­он­ным кабе­лем, тре­тьим слоем явля­ется снова медь, но в нано­ка­беле это тон­кий слой угле­рода тол­щи­ной всего в несколько атомов.

Коак­си­аль­ный нано­ка­бель имеет около 100 нано­мет­ров, или 100 мил­ли­ард­ных долей метра, в диа­метре. Хотя коак­си­аль­ный кабель явля­ется осно­вой широ­ко­по­лос­ной связи, трех­слой­ная металл-диэлектрик-металл кон­струк­ция может быть исполь­зо­вана для созда­ния устройств для хра­не­ния энер­гии, назы­ва­е­мых конденсаторами.

В отли­чие от бата­рей, кото­рые опи­ра­ются на хими­че­ские реак­ции для хра­не­ния и пере­дачи элек­тро­энер­гии, кон­ден­са­торы исполь­зуют элек­три­че­ские поля. Кон­ден­са­тор состоит из двух элек­три­че­ских про­вод­ни­ков, один отри­ца­тель­ный, а дру­гой поло­жи­тель­ный, кото­рые раз­де­лены тон­ким слоем изо­ля­ции. Раз­де­ле­ние про­ти­во­по­ложно заря­жен­ных про­вод­ни­ков создает элек­три­че­ский потен­циал, этот потен­циал воз­рас­тает по мере уве­ли­че­ния раз­де­лен­ных заря­дов и умень­ше­ния рас­сто­я­ния между ними (тол­щина изо­ли­ру­ю­щего слоя). Соот­но­ше­ние между плот­но­стью заряда и рас­сто­я­нием, раз­де­ля­ю­щим их, назы­ва­ется емко­стью и это стан­дарт­ная харак­те­ри­стика эффек­тив­но­сти конденсатора.

Авторы откры­того нано­ка­беля сооб­щают, что его емкость по край­ней мере в 10 раз больше, чем можно было бы пред­ска­зать с точки зре­ния клас­си­че­ской электростатики.

Рост, ско­рее всего свя­зан с кван­то­выми эффек­тами, кото­рые воз­ни­кают из-за неболь­ших раз­ме­ров кабеля”,- гово­рят соав­торы иссле­до­ва­ния: Пули­кел Аджаян (Pulickel Ajayan), Бен­джа­мин М. (Benjamin M.) и Мэри Грин­вуд Андер­сон (Mary Greenwood Anderson) — про­фес­сора маши­но­стро­е­ния и материаловедения.

Тех­ника для изго­тов­ле­ния про­во­дов, кото­рые всего несколько нано­мет­ров в диа­метре, хорошо известна, так как эти про­вода часто исполь­зу­ются в каче­стве “свя­зу­ю­щих” в самой совре­мен­ной элек­тро­нике. Лу исполь­зо­вал тех­нику, извест­ную как хими­че­ское оса­жде­ние паров (CVD) для покры­тия про­во­дов тон­ким слоем угле­рода. Мето­дика CVD исполь­зу­ется также для выра­щи­ва­ния листов одно­слой­ного угле­рода, назы­ва­е­мых гра­фе­ном на мед­ных пленках.

Когда люди делают гра­фен, они обычно не очень заин­те­ре­со­ваны в меди”,- ска­зал Лу. Когда Лу про­вел несколько элек­трон­ных тестов на его пер­вых образ­цах, резуль­таты были далеки от того, чего он ожи­дал.
“Мы в конце кон­цов обна­ру­жили тон­кий слой оксида меди, кото­рый слу­жит диэлек­три­ком между медью и угле­ро­дом”,- гово­рит Лу.

Изу­чив дру­гие иссле­до­ва­ния более подробно, уче­ные обна­ру­жили, что при про­из­вод­стве гра­фена воз­можно окис­ле­ние мед­ной подложки.

Этот эффект доста­точно хорошо опи­сан, но мы не смогли найти никого, кто детально изу­чал элек­трон­ные свой­ства таких слож­ных соеди­не­ний”, —  про­ком­мен­ти­ро­вал Аджаян.
Емкость нового нано­ка­беля состав­ляет около 143 мкФ на квад­рат­ный сан­ти­метр. Это больше, чем у луч­шего микроконденсатора.

Группа уве­рена, что на осно­ва­нии полу­чен­ных нано­ка­бе­лей можно постро­ить круп­но­мас­штаб­ные устрой­ства для хра­не­ния энер­гии, собрав мил­ли­оны кро­шеч­ных  нано­ка­бе­лей в боль­шие мас­сивы.

Лабо­ра­то­рия на чипе — мини­а­тюр­ный при­бор, поз­во­ля­ю­щий осу­ществ­лять один или несколько мно­го­ста­дий­ных (био) хими­че­ских про­цес­сов на одном чипе пло­ща­дью от несколь­ких мм2 до несколь­ких см2 и исполь­зу­ю­щий микро– или нано­ско­пи­че­ские коли­че­ства образ­цов для про­бо­под­го­товки и про­ве­де­ния реак­ций.

По дан­ным nature.com

© 2012 Мир Инно­ва­ций

Похожие новости

Ответить

Фотогалерея

Войти