Dünyanın en küçük elmasları üç atom genişliğinde tellere dönüştü
Stanford Üniversitesi ve Enerji Bölümü’nün SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, atomları mümkün olan en ince elektrik tellerine dönüştürmek için, elmasçıkları (diamondoids)- elmasın mümkün olan en küçük parçalarını- kullanmanın bir yolunu keşfettiler ve bu teller sadece üç atom genişliğinde.
Çeşitli atom türlerini alıp, bunları LEGO gibi bir araya getiren bu yeni teknik, elektrik üreten kumaşlar, elektrik ve ışık kullanılan optoelektronik cihazlar ve herhangi bir kayıp olmaksızın elektrik ileten süper iletken malzemeler gibi çok çeşitli uygulama alanlarında kullanım potansiyeline sahip. Bilim adamları, elde ettikleri sonuçları 26 Aralık 2016’da Nature Materials’da yayımladı.
Stanford doktora sonrası araştırmacı ve makalenin başyazarı Hao Yan, ‘Burada, temelde kendilerini birleştiren küçük, iletken tellerin, mümkün olan en minik boyutta olmasını sağladığımızı göstermeye çalışıyoruz’ dedi. İşlem basit bir tek-kap sentezi. Malzemeleri birlikte atıyorsunuz ve yarım saat içinde sonuç alıyorsunuz. Sanki elmasçıklar (diamondoids) nereye gitmek istediklerini biliyormuş gibi davranıyorlar.’
Ne Kadar Küçük O Kadar İyi
‘Malzemeleri kendiliğinden bir araya getirmenin başka yolları olsa da, bu teknik, katı, kristal bir çekirdeğe sahip olmakla birlikte iyi elektronik özellikler de taşıyan bir nanotel oluşturmak adına bir ilk’ diyor çalışma ortak yazarı, SLAC ve Stanford’da Doçent Doktor ve SIMES(Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü, SLAC) araştırmacılarından Nicholas Melosh.
Bu iğne benzeri tellerin yarı iletken bir çekirdeği vardır – bir kalsiyojenür olarak bilinen bakır ve kükürt birleşimi – ve etrafı yalıtım kabuğu oluşturan eklenmiş elmasçıklar (diamondoids) ile çevrilidir.
Melosh, boyutun önemli olduğunu çünkü atomik ölçekli noktalar, teller ya da tabakalar gibi sadece bir ya da iki boyutta bulunan bir malzemenin, aynı malzemenin yığın haline kıyasla çok daha farklı olağanüstü özelliklere sahip olabileceğini söylüyor. Yeni yöntem, araştırmacıların bu malzemeleri atom bazında bir hassasiyet ve kontrolle bir araya getirmelerine olanak tanıyor.
Montaj araçları olarak kullanılan elmasçıklar (diamondoids), karbon ve hidrojenden oluşan küçük, birbirine kenetlenen kafeslerdir. Petrol akışkanlarında doğal olarak bulunan bu elmasçıklar, SLAC laboratuvarında özütlendikten sonra, büyüklük ve geometrilerine göre ayrılıyorlar. Son on yılda, Melosh ve SLAC / Stanford Profesörü Zhi-Xun Shen’in liderliğinde yapılan bir SIMES araştırma programı, elektron mikroskop görüntülerinin geliştirilmesi ve küçük elektronik cihazlar üretilmesi de dahil olmak üzere bu mini elmaslar için bir takım potansiyel kullanım alanları bulmuşlardır.
Çekim Kuvvetlerinin Yararlı Etkileri
Bu çalışma sırasında, araştırma ekibi, elmasçıkların (diamondoids) birbirlerini güçlü çekim kuvvetinden, başka bir deyişle van der Waals kuvvetlerinden yararlandı. (Bu çekim, mikroskopik elmasçıkların (diamondoids) şeker benzeri kristaller halinde bir araya toplanarak gözle görülebilir hale gelmesini sağlar.) Olabilecek en küçük elmasçıklardan (diamondoids)- sadece 10 karbon atomu içeren tek kafeslerden – başladılar ve her birine bir kükürt atomu bağladılar. Bir çözeltide yüzen her kükürt atomu, tek bir bakır iyonu ile bağlandı. Bu, temel nanotel yapı taşını oluşturdu. Bu yapı taşları daha sonra elmasçıklar arası van der Waals çekimiyle birbirlerine doğru sürüklendi ve nanotelin büyüyen ucu üzerine bağlandı.
Bu nanotellerin sentezinde kritik bir rol oynayan ve nasıl büyüdüklerini saptayan Stanford lisansüstü öğrencisi Fei Hua Li, ‘LEGO blokları gibi boyutlarına ve biçimlerine göre belli şekillerde bir araya geliyorlar’ diyor. ‘Bakır ve kükürt atomlarından oluşan her yapı taşı, içeride yuvarlanarak telin iletken çekirdeğini oluştururken, yığın haldeki elmasçıklar(diamondoids) dış tarafta yalıtım kabuğunu oluşturuyor.’
Alışılmışın Dışında Malzemeleri Yaratmak için Çok Yönlü Bir Araç Seti
Ekip, hali hazırda, elmasçıkları(diamondoids), kadmiyum, çinko, demir ve gümüş esasına dayanan tek boyutlu nanoteller yapmak için kullandı ve bunlardan bazıları, bir mikroskop olmadan görülebilecek kadar uzun süre büyüdü. Ayrıca reaksiyonları farklı çözücülerle ve karbüranlar gibi katı, kafes benzeri başka moleküllerle de denediler.
Kadmiyum esaslı teller, ışık yayan diyotlar (LED) gibi optoelektronikte kullanılan malzemelerde, çinko esaslı olanlar, güneş enerjisi uygulamalarında ve hareketi elektriğe dönüştüren piezoelektrik enerji jeneratörlerinde kullanılıyor.
Melosh, ‘Bunların kumaşa enerji üretmek için dokunduğunu hayal edebilirsiniz’ diyor. ‘Bu yöntem bize ince ayarlanmış elektronik özellikleri ve ilginç fizik kuralları olan yeni malzemeler yaratmak için içeriğiyle ve deneysel koşullarıyla oynama fırsatı veren çok yönlü bir araç seti sunuyor.’
SIMES Direktörü Thomas Devereaux liderliğindeki teorisyenler, nanotellerin elektronik özelliklerini modellediler. Bu teller, yapılarının ve diğer özelliklerinin belirlenmesi için bir DOE Bilim Ofisi Tesisi olan SLAC Stanford Synchrotron Radiation Lightsource’da X-ışınlarıyla incelendi. Ayrıca Stanford Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, Meksika Ulusal Özerk Üniversitesi (UNAM) ve Justus-Liebig Üniversitesi’nden araştırmacılar da ekibe dahil edildi. Araştırmanın bir bölümü Berkeley Gelişmiş Işık Kaynağı Laboratuvarı’nda(ALS), bir bölümü ise Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Hesaplama Merkezi’nde (NERSC) gerçekleştirildi. Bu iki araştırma merkezi de DOE Bilim Ofisi Tesisleri bünyesinde yer alıyor. Çalışmalar, DOE Bilim Ofisi ve Alman Araştırma Vakfı tarafından finanse edildi.
Kaynak : sciencedaily.com
