Eksoottisia värähtelyjä uusissa materiaaleissa

Tulevaisuuden materiaalien suunnittelussa on tärkeää ymmärtää, miten materiaalin yksittäiset atomit vuorovaikuttavat kvanttimekaanisesti keskenään.

Aiemmin selittämättömät värähtelytilat hiiliketjujen (karbyyni) ja nanoputkien välillä ovat pitäneet materiaalitieteilijöitä ymmällään. Kansainvälinen tutkijaryhmä Wienin yliopiston johdolla ovat nyt onnistuneet selvittämään tämän ilmiön Raman-spektroskopian, innovatiivisten teoreettisten mallien ja koneoppimisen avulla.

Tutkimusjulkaisun tulokset osoittavat karbyynin yleismaailmallisen sovellettavuuden anturina sillä se on erityisen herkkä ulkoisille vaikutuksille.

Yhdeksän vuotta sitten Thomas Pichlerin tutkimusryhmä Wienin yliopistossa onnistui ensimmäistä kertaa stabiloimaan hiilinanoputkissa karbyyniä, lineaarista hiiliatomien ketjua, tiedeyhteisön yllätykseksi.

Karbyynillä, jota on tähän mennessä löydetty vain putkesta, on hallittavia elektronisia ominaisuuksia, jotka ovat välttämättömiä puolijohdetekniikalle, ja se saattaa olla vetolujuutensa suhteen vahvin tunnettu materiaali. Kokeessaan ryhmä havaitsi odottamattoman järjestelmän tilan, joka ei vastannut yleistä selitysmallia ja joka ymmärrettiin tuolloin täysin väärin.

Tutkijat ovat nyt tarkastelleet tätä selittämätöntä järjestelmän tilaa lähemmin.

Käyttämällä innovatiivista teoreettista mallia, jota voitiin soveltaa vain koneoppimisen viimeaikaisten läpimurtojen ansiosta, he pystyivät löytämään selityksen laboratorioissa havaituille ketjun ja nanoputken välisille uusille vuorovaikutuksille, jotka aluksi vaikuttavat paradoksaalisilta.

"Vaikka ketju ja nanoputki ovat elektronisesti eristettyjä eivätkä siksi vaihda elektroneja, ne ovat alttiita odottamattoman voimakkaalle kytkennälle näiden kahden nanorakenteen värähtelyjen välillä", selittää Emil Parth Wienin yliopistosta, Nature Communicationsissa julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja.

Toisin sanoen karbyyni ja nanoputki kommunikoivat keskenään elektronisesti, samalla kun ne ovat klassisessa mielessä elektronisesti eristettyjä. Tämä värähtelyjen kvanttimekaaninen kytkentä on yleensä merkityksetön, mutta tässä nimenomaisessa tapauksessa se on erittäin voimakas ketjun luontaisten elektronisten ominaisuuksien ja rakenteellisen epävakauden vuoksi.

Juuri tämä tekee ketjusta niin mielenkiintoisen, sillä se reagoi voimakkaasti ulkoisiin vaikutteisiin. Siksi se on voimakkaassa vuorovaikutuksessa sitä ympäröivän nanoputken kanssa.

Uusi tutkimustyö osoittaa, että tämä vuorovaikutus ei ole yllättäen yksipuolista, sillä karbyyni muuttaa myös nanoputken ominaisuuksia, vaikkakin eri tavalla kuin aiemmin oletettiin.

"Karbyynin herkkyys ulkoisille vaikutuksille on ratkaisevan tärkeää sen mahdollisten sovellusten kannalta tulevaisuuden materiaaleissa ja laitteissa nanomittakaavan kontaktittomana optisena anturina, esimerkiksi paikallisena lämpötila-anturina lämmönsiirtomittauksissa", Wienin yliopiston tutkimusryhmän johtaja Thomas Pichler toteaa.

Aiheesta aiemmin:

Nanohiili karbyyni soveltuu transistorin perustaksi

Yksiulotteinen boorinauha

Vahvempaa kuin grafeeni