Нанокабель может использоваться для аккумулирования электроэнергии

Авторы и источники / Правообладателям

Непрогнозируемое научно-техническое достижение было осуществлено группой учёных из американского Университета Райса (Rice University) - они создали сверхтонкий коаксиальный кабель шириной в 100 нм, который, будучи в тысячу раз тоньше человеческого волоса, продемонстрировал более высокую ёмкость, чем микроконденсаторы. Этот сверхтонкий кабель может найти применение, как в современных энергосберегающих системах, так и в компонентах, которые являются неотъемлемой частью современных процессоров.

Описанный в журнале Nature Communications нанокабель был создан благодаря интуитивной прозорливости учёных на основе технологии, которая применялась в области исследования графена. Как рассказывает один из авторов этого изобретения, профессор Джун Лоу (Jun Lou), учёные не ожидали получить нанокабель, они просто хотели узнать, как изменятся электрические и механические свойства тонких медных проводов, используемых в качестве соединительных проводов, если их покрыть тонким слоем углерода. Крошечный коаксиальный кабель удивительно похож по составу на кабели, передающие телевизионные сигналы в миллионы домов и офисов. Сердце этого нанокабеля – медная проволока, окружённая тонким изоляционным слоем из оксида меди. Третий слой, ещё один проводник, окружает первые два элемента. В случае телевизионных кабелей третий слой выполнен из меди, но в нанокабеле это тонкий внешний слой углерода толщиной всего в несколько атомов. Диаметр коаксиального нанокабеля около 100 нанометров или 100-миллиардная часть метра. 

Если коаксиальный кабель является основой сетей широкополосной связи, то трёхслойная (металл-диэлектрик-металл) конструкция нанокабеля может использоваться также для создания энергонакопительных устройств – конденсаторов. В отличие от аккумуляторов, в которых используются химические реакции для накопления и отдачи электричества, в конденсаторах используются электрические поля. Конденсатор содержит два электрических проводника, один отрицательный, а другой положительный, которые отделены друг от друга тонким слоем изоляции. Создаваемый электрический потенциал увеличивается по мере увеличения противоположных зарядов и по мере уменьшения расстояния между ними, занятого изоляционным слоем. Соотношение между плотностью электрического заряда и разделяющим расстоянием – это и есть ёмкость, являющаяся стандартной мерой эффективности конденсатора. Проведенные исследования показали, что ёмкость нанокабеля, по крайней мере, в 10 раз больше, чем у классических электростатических элементов. По мнению учёных, такое увеличение ёмкости, вероятнее всего, происходит за счёт квантовых эффектов, вызванных малым размером кабеля.

В ходе исследований для нанесения тонкого углеродного слоя на медную проволоку применялся метод химического парофазного осаждения (chemical vapor deposition - CVD). Этот метод также используется для выращивания слоя углерода толщиной в один атом, называемого графеном, на плёнках из меди. Как объясняет профессор Лоу, когда люди изготавливают графен, они обычно хотят изучать графен и не очень интересуются медью. Медная плёнка используется просто как платформа для роста графена. Однако во время проведения электронных испытаний на первых образцах были получены необычные результаты. Было обнаружено, что между медью и углеродом образуется тонкий слой оксида меди, который служит диэлектрическим слоем. Изучив более тщательно другие работы, учёные обнаружили, что в нескольких из них упоминается образование оксидов при выращивании графена на медных субстратах, хотя никто из авторов не приводит подробных данных об электронных свойствах  таких сложных структур. Ёмкость нового нанокабеля составляет до 143 микрофарад на квадратный сантиметр, что превышает лучшие результаты для микроконденсаторов.  Если расположить рядом миллионы таких крошечных нанокабелей, то можно получить крупномасштабное устройство для аккумулирования энергии, полагает профессор Лоу. Кабели наноразмера можно также использовать в качестве линии передачи радиочастотных сигналов на наноуровне. Это может быть полезным при создании микро- и наноразмерных электромеханических систем.