|
|
 |
Κρυσταλλικός οδηγός
|
|
|
|
|
|
|
Οι νανοσωλήνες άνθρακα θα αποτελούσαν ιδανικά καλώδια σε προηγμένα κυκλώματα αν δεν απαιτούνταν επίπονες προσπάθειες για την ευθυγράμμιση αυτών των μικροσκοπικών, κολλωδών, εύκαμπτων νημάτων. Τώρα όμως, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο κρυσταλλικός σάπφειρος μπορεί να «οδηγήσει» τους νανοσωλήνες κατά το επιθυμητό πρότυπο έτσι ώστε να κατασκευαστούν τρανζίστορ και εύκαμπτες ηλεκτρονικές διατάξεις.
Το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται ταχύτερα μέσα από τους νανοσωλήνες άνθρακα παρά από το πυρίτιο, γεγονός το οποίο, κατ’ αρχήν, θα μπορούσε να οδηγήσει σε γρηγορότερους υπολογιστές, εξηγεί ο Chongwu Zhou, ηλεκτρολόγος μηχανολόγος του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας. Επιπλέον δε, το μέγεθος των νανοσωλήνων μπορεί να φτάσει μόλις το 1/5 της θεωρητικής ελάχιστης τιμής των συμβατικών κυκλωμάτων πυριτίου.
Για να κατασκευάσουν λοιπόν κυκλώματα νανοσωλήνων, οι επιστήμονες διασκορπίζουν τους νανοσωλήνες τυχαία προσαρτώντας τους ηλεκτρόδια όπου τούτο είναι εφικτό· διαφορετικά, προσπαθούν να αυξήσουν το μέγεθος του ενός προς την κατεύθυνση του άλλου και κατόπιν να τους προσθέσουν ηλεκτρόδια. Όμως τέτοιου είδους προσπάθειες είναι αργές και αναποτελεσματικές, και ανάγκασαν τους επιστήμονες να αναρωτηθούν κατά πόσον υπάρχουν υποστρώματα που θα μπορούσαν να προσανατολίζουν τους νανοσωλήνες με φυσικό τρόπο. Έπειτα από πειράματα με διάφορους κρυστάλλους για περισσότερο από ένα χρόνο, ο Zhou και οι συνάδελφοί του ανακάλυψαν ότι αυτό που ζητούσαν ήταν ο σάπφειρος. Ο κρύσταλλος του εν λόγω πολύτιμου λίθου είναι εξαγωνικός και ορθώνεται πάνω από μια επίπεδη βάση, μάλιστα δε οι ερευνητές βρήκαν ότι, στις περισσότερες κατακόρυφες τομές του, οι διατάξεις των ατόμων αργιλίου και οξυγόνου από τα οποία συντίθεται προάγουν, καθώς φαίνεται, το σχηματισμό νανοσωλήνων σε εύτακτες σειρές.
Στις αρχές της χρονιάς, η ομάδα τού Zhou ανακοίνωσε τη δημιουργία τρανζίστορ με τέτοιους ευθυγραμμισμένους νανοσωλήνες. Επικάλυψαν τεχνητό σάπφειρο του εμπορίου με μια πρωτεΐνη που έχει τη μορφή κλωβού, ονόματι φερριτίνη, και, ενώ το έψηναν, διοχέτευσαν πάνω του αέριο υδρογονάνθρακα. Ο σίδηρος τον οποίο περιείχε η πρωτεΐνη κατέλυσε την ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος χρησιμοποιώντας τον άνθρακα του παραπάνω αερίου. Αφότου ο σάπφειρος καλύφθηκε από νανοσωλήνες, οι ερευνητές τοποθέτησαν τα μεταλλικά ηλεκτρόδια των τρανζίστορ οπουδήποτε ήθελαν και αφαίρεσαν τους ανεπιθύμητους νανοσωλήνες με τη βοήθεια υψηλά ιονισμένου αερίου οξυγόνου.
Τα παλιότερα τρανζίστορ νανοσωλήνα άνθρακα κατασκευάζονταν τυπικά πάνω σε σύνθετες ενώσεις πυριτίου, κοινές στη βιομηχανία ηλεκτρονικών [βλ. και το Gary Stix, «Νανοσωλήνες στον καθαρό θάλαμο», Scientific American - Ελληνική Έκδοση, Μάιος 2005]. Το μειονέκτημά τους συνίστατο στο ότι τα μεταλλικά ηλεκτρόδια και το πυρίτιο αλληλεπιδρούσαν απομυζώντας ηλεκτρικό φορτίο, μειώνοντας τις επιδόσεις και αυξάνοντας την κατανάλωση ισχύος. Η στρατηγική τού Zhou εξαλείφει αυτή την παρασιτική απομύζηση, διότι ο σάπφειρος είναι ηλεκτρικός μονωτής και όχι ημιαγωγός όπως το πυρίτιο. Η μέθοδος σχετίζεται στενά με τη λεγόμενη προσέγγιση «πυρίτιο πάνω σε σάπφειρο», την οποία η ΙΒΜ και άλλοι κατασκευαστές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ακολουθούν προκειμένου να δημιουργήσουν κυκλώματα υψηλών επιδόσεων ―«οπότε μπορούμε να αντλήσουμε αρκετές γνώσεις από τη βιομηχανία ημιαγωγών», επισημαίνει ο Zhou.
Σε σύγκριση με άλλες ηλεκτρονικές διατάξεις νανοσωλήνα άνθρακα, τα παραπάνω ευρήματα εμφανίζουν τη μεγαλύτερη πυκνότητα ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων ―ώς και 40 ανά μικρόμετρο. Ωστόσο, όπως δηλώνει ο Ali Keshavarzi, «πρέπει να φτάσουμε τις μερικές εκατοντάδες νανοσωλήνες ανά μικρόμετρο, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι όλοι τους θα έχουν ίδια περίπου διάμετρο». Αλλες μέθοδοι καταφέρνουν μόνο 1 με 5 ευθυγραμμισμένους νανοσωλήνες ανά μικρόμετρο, τονίζει ο Zhou. Η πυκνότητα νανοσωλήνων έχει κρίσιμη σημασία, διότι όσο περισσότεροι νανοσωλήνες υπάρχουν μεταξύ των ηλεκτροδίων τόσο πιο πολλά σήματα άγονται. Οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν την πυκνότητά τους μεταβάλλοντας την ποσότητα σιδήρου της φερριτίνης που χρησιμοποιούν.
Οι ερευνητές θα μπορούσαν εύκολα να δημιουργήσουν εύκαμπτες ηλεκτρονικές διατάξεις από τρανζίστορ νανοσωλήνα ψήνοντας ένα πλαστικό φιλμ πάνω τους και μετά αφαιρώντας τις πλαστικές λωρίδες που θα καλύπτουν τα τρανζίστορ αυτά. Οι εύκαμπτες ηλεκτρονικές διατάξεις νανοσωλήνα άνθρακα θα μπορούσαν με «σχετική ευκολία» να ξεπεράσουν σε επιδόσεις τις αντίστοιχες πυριτικές εκδόσεις τους οι οποίες αυτή τη στιγμή χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, δηλώνει ο Zhou, και προφητεύει τη χρήση τους σε εφαρμογές όπως μεγάλες επίπεδες οθόνες, παρμπρίζ οχημάτων και έξυπνες κάρτες. Σημειώνει δε ότι οι συγκεκριμένοι ευθυγραμμισμένοι νανοσωλήνες θα μπορούσαν να παίξουν και το ρόλο αισθητήρων: προσαρτημένα σε αυτούς μόρια θα έστελναν ένα ηλεκτρικό σήμα διαμέσου των νανοσωλήνων μόλις αλληλεπιδρούσαν με καρκινικούς δείκτες ή άλλες ενώσεις.
Τα ευρήματα αυτά συνιστούν «πολύ σημαντική πρόοδο στην επίλυση ενός από τα δυσκολότερα προβλήματα που σχετίζονται με την κατασκευή νανοσωλήνων άνθρακα για χρήση τους σε ολοκληρωμένα κυκλώματα» δηλώνει ο Kang Wang, διευθυντής του Κέντρου Σχεδιασμού Λειτουργικών Νανοϋλικών και Αρχιτεκτονικής (FENA) στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Αντζελες. Επισημαίνει δε και ένα κρίσιμο εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί: τη διασφάλιση ότι όλοι οι νανοσωλήνες που θα κατασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο θα είναι ημιαγώγιμοι, διότι επί του παρόντος παράγεται ένα συνονθύλευμα από μεταλλικούς (πλήρως αγώγιμους) και ημιαγώγιμους νανοσωλήνες.
|
|
|
|
|
|
