10 марта 2013
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.