Nanoputket voivat puristaa esiin uusia materiaaleja

Warwickin ja Lillen yliopistojen johtamassa kansainvälisessä tutkimushankkeessa on käytetty nanoputkien puristusta yhdisteen taustalla olevan kemian ja fysiikan muuttamiseen ja luotu lupaava uusi yksiulotteinen materiaali.

JACS -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan suuri klusteripohjainen yhdiste (Cs2Mo6Br14) läpikävi nanorajoituksen sarjassa hiilinanoputkia, joista pienimmät olivat kooltaan vain kymmenen Ångströmiä tai metrin miljardisosaa.  

Näin pienien nanoputkien sisäosa on pienempi kuin itse yhdisteet. Äärimmäisessä suljetussa tilassa yhdiste puristui kokoon niin paljon, että se hajosi (eliminaatioksi kutsutussa prosessissa), jolloin putken sisään syntyi uusi, pienempi yhdiste [ Mo2Br6 ]x.

Warwickin yliopiston tohtori Jeremy Sloan, sanoi: ”Tämä tutkimus on ainutlaatuinen ja tärkeä kahdesta eri näkökulmasta.

"Ensinnäkin näemme, kuinka epäorgaanisen klusteripohjaisen materiaalin sulkeminen kapeisiin nanoputkiin saa kyseisen materiaalin steerisessä tai rajoitetussa rakenteessa poistamaan tai luovuttamaan joitakin kemikaalejaan muodostaen polymeroituneen epäorgaanisen yhdisteen.”

"Toiseksi, ja sattumalta, epäorgaanisella polymeerillä on yksiulotteinen Ising - tyyppinen rakenne, joka on erittäin kiinnostava tilastollisessa fysiikassa ja ferromagneettisten matriisien muodostamisessa, joilla on potentiaalista hyötyä informaation tallennuksessa atomitasolla."  

Merkillepantavaa on, että myös uuden yhdisteen fysikaaliset ominaisuudet muuttuivat täysin tämän rajoitusvaikutuksen vuoksi. Uudet pienemmät yhdisteet ovat todennäköisesti magneettisia ja järjestäytyvät lineaariseksi polymeerirakenteeksi (kytketyksi), jota voidaan pitää yhdisteen "kongaviivana" putken sisällä. 

Yhdisteiden kongalinjassa kukin yhdiste voi olla vuorovaikutuksessa vain kahden lähimmän naapurinsa kanssa, mikä tarkoittaa, että ne toimivat kuin rivi sauvamagneetteja, jotka joko osoittavat magneettisesti ylös- tai alaspäin. Jos niiden naapuriyhdiste kääntyy yhteen suuntaan, yhdiste kääntyy myös siihen suuntaan magneettisen vetovoiman vuoksi. 

Tätä järjestelyä voidaan kuvata myös 1D Ising –mallina. Koska jokainen yhdiste esiintyy vain yhdessä kahdesta tilasta (ylös/alas, päällä/pois) ja pienet muutokset voivat aaltoilla järjestelmän läpi, tämä binäärinen Isingin kaltainen rakenne soveltuu erinomaisesti kvanttilaskennan ja molekyylielektroniikan sovelluksiin. 

Tri Sloan lisäsi: ”Työmme havainnollistaa, kuinka nanomateriaalien sulkeminen pieniin tilavuuksiin muuttaa perusteellisesti niiden rakennekemiaa ja samalla luo tieteellisesti mielenkiintoisia ja mahdollisesti toiminnallisia uusia nanomittakaavan objekteja.” 

Jos nanorakenteiden sulkeminen voi muuttaa perusteellisesti materiaalien käyttäytymistä ja johtaa odottamattomiin muutoksiin, mukaan lukien sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien saaminen, se tarjoaa lupaavan synteettisen reitin nanomateriaaleille, joilla on jännittäviä ominaisuuksia. 

Aiheesta aiemmin:

Germaneenin nanonauhat tasoittavat tietä kvanttilaskentaan

Grafeeninauhat ja kiraalisuus kehittämään kvanttiteknologiaa

Materiaalia elektronien kvanttitielle