Nova tehnika bi mogla da omogući stvaranje raznih vlakana za elektronske i fotonske uređaje.
Istraživači sa Masačusetskog instituta tehnologije (MIT - Massachusetts Institute of Technology) uspeli su da stvore finu nit koja funkcioniše kao dioda, uređaj u samom srcu moderne elektronike. Ovaj podvig - omogućen zahvaljujući novom pristupu tipu proizvodnje vlakana poznat kao izvlačenje vlakana (fiber drawing) - može stvoriti mogućnosti za farbrikovanje širokog spektra elektronskih i fotonskih uređaja unutar kompozitnih vlakana, korišćenjem različitih materijala.
Tehnike izvlačenja vlakana koriste se za izradu optičkih kablova za većinu današnjih širokopojasnih komunikacija, ali ove tehnike su ograničene na materijale koji se mogu delimično topiti i razvlačiti kao gumena bombona na temperaturama koje se koriste za izvlačenje vlakana. Novo delo pokazuje način sinteze novih materijala u toku procesa pravljenja vlakana, uključujući i materijale čije su tačke topljenja daleko veće od temperature koje se koriste za obradu vlakana. Jednostavan dokaz koncepta putem demonstracije sprovedene od strane istraživača sa MIT-a bi mogao da otvori vrata širokom spektru sofisticiranih uređaja na bazi kompozitnih vlakana, kažu istraživači sa MIT-a.
Rezultati, deo doktorskog istraživačkog projekta koji se bavi naukom o materijalima, Nikolasa Orfa (Nicholas Orf), su objavljeni u časopisu Zbornik radova Nacionalne akademije nauka (Proceedings of the National Academy od Sciences). Koautori rada bili su Orf (sada na postdoktorskim studijama na MIT-u); Džon Joanopulos (John Joannopoulos), profesor fizike; Joel Fink (Yoel Fink), profesor; Mark Baldo (Marc Baldo), profesor; Ofer Šapira (Ofer Shapira), istraživač u istraživačkoj laboratoriji elektronike; postdoktorski student Fabien Sorin; i Silvajn Danto (Sylvain Danto), koji je bio na postdoktorskim studijama u to vreme. Rad je sproveden u istraživačkoj grupi profesora Finka.
Svi prethodni radovi na izvlačenju vlakana završili su sa istim materijalima sa kojima su počeli, samo u različitim oblicima, kaže Orf, dodajući: “U ovoj metodi, novi materijali nastaju tokom procesa izvlačenja.”
Oglas
Izvlačenje vlakana podrazumeva pripremu preoblikovanog materijala, kao što su velike staklene šipke nalik ogromnom modelu vlakna koji će se proizvoditi. Ovaj preoblikovani materijal se zagreva dok ne dostigne konzistenciju gumene bomobone i potom se izvlači u tanka vlakna. Materijali koji čine preoblikovani materijal ostaju nepromenjeni kako se njihove dimenzije drastično smanjuju.
U aktuelnimom istraživanju, preoblikovani materijali sadržali su selen, sumpor, cink i kalaj, ugrađeni u okviru sloja materijala od polimera. Proces izvlačenja, koji se vrši na temperaturi od samo 260°C, kombinuju ove materijale i stvaraju vlakna koja sadrže cink selenid, iako to jedinjenje ima tačku topljenja od 1.530°C.
Rezlutirajuće vlakno je bio jednostavan, ali funkcionalan uređaj poluprovodnika koji se zove dioda - vrsta jednosmernog ventila za elektičnu struju, koji dozvoljava da elektroni teku kroz njega u jednom smeru. Dioda, koja nikada do sada nije napravljena na ovaj način, jeste osnovni gradivni element za električna kola.
“To pokazuje da mnogo više vrsta materijala može biti uključeno u vlakna nego ikada ranije”, kaže Orf. Zato što je fizički aranžman koji se nalazi u preoblikovanom materijalu sačuvan u izvučenom vlaknu, na kraju bi trebalo da bude moguće integrisati više složenih elektronskih kola unutar strukture samog vlakna.
Takva vlakna se mogu koristiti kao senzori za svetlo, temperaturu ili u druge svrhe, kaže Orf. Ili bi ta vlakna mogla biti tkana, tako da se od njih mogu praviti solarne ćelije, dodaje on.
Profesor Fink kaže da je njegova grupa istraživača radila više od jedne decenije na proširivanju vrste materijala i struktura koji mogu biti inkorporirani u vlakna. On kaže da, uprkos brzom napretku u poslednjih nekoliko decenija u raznim oblicima elektronike “bilo je malo napretka u unapređenju ukupne funkcionalnosti i sofisticiranosti vlakana i tkanina... jednog od najranijeg oblika ljudskog izražavanja”.
Istraživanje grupe, kaže on, proizašlo je od osnovnog pitanja: “Koliko sofisticirana vlakna mogu biti?” Tokom godina, uključivali su sve više i više materijala, strukture i funkcija u vlakna. Ali, jedno od najvećih ograničenja bio je skup materijala koji može biti integrisan u vlakna; ovaj novi rad je u velikoj meri proširio tu listu. Rad nam pokazuje da je moguće, kaže Fink, “korišćenje tehnologije izvlačenja vlakana kao način sintetisanja novih materijala. To je prvi put da je ovo igde demonstrirano.”
Cink selenid, specifično jedinjenje formirano u ovom procesu izvlačenja, važan je materijal zbog svojih elektronskih i optičkih osobina, kaže Orf. Takva vlakna se mogu koristiti u novim fotonskim kolima, koja koriste svetlosne zrake da obavljaju funkcije slične onima koje sprovode elektroni koji teku u elektronskim kolima.
Iako je ovaj eksperiment proizveo petnaest pojedinačnih dioda u vlaknu, svaku odvojenu od druge, profesor Fink kaže da kroz nastavak istraživanja oni misle da mogu da stvore stotine, i čak da ih međusobno povežu u obliku elektronskih kola.
Profesor Džon Balato (John Ballato), direktor Centra za nauku optičkih materijala i inženjerske tehnologije Univerziteta Klemson (Center for Optical Materials Science and Engineering Technologies at Clemson University), dodaje: “Postojalo je rastuće međunarodno interesovanje za poluprovodnička optička vlakna u poslednjih nekoliko godina. Takva vlakna nude potencijal da se spoje sa optoelektronskim prednostima poluprovodnika, (za) koje znamo iz fotonika silicijuma i integrisanih kola, sa svetlosnim smernicama i velikim dužinama optičkih vlakana.” Novo istraživanje sa Masačusetskog instituta tehnologije je prilično značajno, kaže on, zbog “korišćenja vlakana kao hemijskih reaktora u mikročvrstom stanju u cilju stvaranja materijala koji se generalno ne stvaraju normalnom proizvodnjom vlakana”.
Balato, koji nije učestvovao u ovom istraživanju, dodaje da je slična tehnika korišćena za dobijanje reakcija korišćenjem gasova, ali da je prema njemu, “ovo prva metoda koja širi svoj koncept na čvrsta stanja, gde uistinu više obilnih prilika postoji za dobijanje šireg spektra materijala”. Taj proces je toliko fleksibilan i ima potencijal da se koristi sa tolikim spektrom materijala, kaže on, da se “ono može smatrati važnim korakom ka ‘vlaknima koje rade sve’ - stvara, propagira, oseća i manipuliše fotonima, elektronima i fononima”.
Istraživanje je podržano od strane američke vojske (U.S. Army) kroz MIT Institut za vojne nanotehnologije (MIT Institute for Soldier Nanotechnologies) i od strane Centra za istraživanje materijala i inženjerstva Nacionalne fondacije za nauku (Materials Research Science and Engineering Center Program of the National Science Foundation).
