Gotovo trideset godina nakon teorijskog predviđanja, znanstvenici su izradili iznimno usku ugljikovu vrpcu u kojoj peterokuti i sedmerokuti zamjenjuju uobičajenu šesterokutnu mrežu. Vrpca široka oko 0,9 nanometara pritom provodi električnu struju poput metala, iako se sastoji od ugljikovih atoma povezanih kovalentnim vezama.
Tim sa Sveučilišta znanosti i tehnologije Kine i suradnici opisali su postupak u časopisu Nature. Uspjeli su dobiti dvije vrste nanovrpci s vrlo sličnom osnovnom građom. Jedna se ponaša kao metal, a druga kao poluvodič, što pokazuje koliko raspored istih atoma može promijeniti svojstva materijala.
Takve su razlike važne za razvoj elektronike na atomskoj skali. Metalni dijelovi trebaju učinkovito provoditi struju, dok poluvodički omogućuju upravljanje njezinim prolaskom. Novi rezultat pruža način za istraživanje vrlo uskih ugljikovih vodiča; ugradnja u stvarne uređaje zahtijevat će daljnji razvoj sinteze.
Umjesto šesterokuta, mreža od pet i sedam atoma
Grafen, jedan od najpoznatijih oblika ugljika, ima mrežu nalik saću: njegovi su atomi povezani u šesterokute. Teoretičari su još 1996. predvidjeli da bi ravna struktura sastavljena od peterokuta i sedmerokuta mogla pokazivati metalna elektronička svojstva. Ta se struktura naziva pentaheptit.
Izraditi točno određeni raspored takvih prstenova pokazalo se mnogo težim nego nacrtati ga ili izračunati njegova svojstva. Za eksperimentalnu provjeru trebalo je dobiti dovoljno pravilnu strukturu i zatim izmjeriti kako kroz nju prolaze elektroni.
Ugljik je posebno zanimljiv upravo zbog tako velike raznolikosti. Dijamant, grafit i grafen građeni su od istog elementa, ali se razlikuju po vezama i rasporedu atoma. Drukčiji primjer takvog oblikovanja materijala jest nedavno proizvedeni porozni oblik ugljika diamondiyne.
Nanovrpce su sastavili na srebrnoj površini
Istraživači su do novog materijala došli u nekoliko koraka. Na površini srebra najprije su povezali molekule koje sadržavaju osmeročlane ugljikove prstenove. Zagrijavanjem su ih preuredili u lance s parovima peterokuta, a daljnjim zagrijavanjem potaknuli bočno spajanje susjednih lanaca.
Na spoju su nastajali sedmerokuti, čime su dobili željenu nanovrpcu. Presudno je bilo kako su lanci bili okrenuti jedan prema drugome. Dvije različite orijentacije dale su strukture označene kao CPHN1 i CPHN2.
Obje sadržavaju peterokute i sedmerokute, no elektroni se kroz njih ne ponašaju jednako. Mjerenja i teorijski proračuni pokazali su da CPHN1 ima metalna svojstva. CPHN2 ima mali energijski procijep, oko 0,22 elektronvolta, karakterističan za njegov poluvodički način provođenja.
Jednu su vrpcu podigli vrhom mikroskopa
Za provjeru električnog prijenosa tim je vrhom skenirajućeg tunelskog mikroskopa prihvatio jedan kraj nanovrpce i postupno ga odizao od srebrne podloge. Tako je vrpca povezivala vrh instrumenta i površinu, omogućujući mjerenje struje kroz jednu tako malu strukturu.
Prema opisu pokusa koji je objavilo sveučilište, pri niskoj temperaturi i naponu od deset milivolta vodljivost CPHN1 dosegnula je oko 0,9 kvanta vodljivosti. To je blizu osnovnoj vrijednosti koja opisuje provođenje kroz idealan pojedinačni elektronski kanal.
Pri povećanju podignute duljine na približno četiri nanometra izmjerena se vrijednost nije bitno promijenila. Takvo ponašanje upućuje na vrlo malo raspršenje elektrona tijekom prijelaza preko ispitane udaljenosti. Druga vrpca, CPHN2, provodila je približno stotinu puta slabije.
Mjerenje je važno jer pravilna atomska slika sama ne bi bila dovoljna da potvrdi dobar vodič. Tek provjera prijenosa struje pokazuje odgovara li izrađeni materijal predviđenim elektroničkim svojstvima. Istraživanja neobičnog ponašanja elektrona u grafenu već su pokazala koliko atomski tanki sustavi mogu odstupati od svakodnevnog iskustva s vodičima.
Od atomske žice do elektroničkog sklopa
Autori novu metalnu vrpcu vide kao mogući put prema ugljikovim kvantnim žicama i poveznicama između vrlo malih elektroničkih elemenata. Posebno je zanimljiva mogućnost povezivanja metalnih i poluvodičkih ugljikovih struktura u budućim sklopovima.
Za to će trebati bolje ovladati njihovom izradom i integracijom. Sadašnji pokus potvrđuje strukturu i provođenje na nanometarskoj udaljenosti u kontroliranim uvjetima. Sljedeći je korak pretvoriti takvu laboratorijsku sintezu u postupak koji pouzdano daje željene vrpce i omogućuje njihovo povezivanje s drugim dijelovima uređaja.
