دانشمندان با دستکاری نانولوله‌های کربنی، مسیر جدیدی برای ساخت نیمه‌هادی‌های پیشرفته باز کردند. پژوهشگران دانشگاه دوک موفق به توسعه روشی شده‌اند که می‌تواند نانولوله‌های کربنی را از حالت فلزی به حالت نیمه‌هادی تغییر داده و مجدداً به حالت اولیه بازگرداند. این فرایند از طریق پوشاندن نانولوله‌ها با یک پلیمر نواری انجام می‌شود.
دستکاری نانولوله‌های کربنی مسیرهای تازه‌ای برای الکترونیک نسل آینده باز می‌کند
این نانولوله‌ها، که ظاهری شبیه به توری‌های سیمی دارند، ساختاری بسیار کوچک و در حد اتمی دارند، اما در آینده می‌توانند در ساخت تجهیزاتی همچون دوربین‌های دید در شب، حسگرهای حرکتی و سلول‌های خورشیدی با راندمان بالاتر مورد استفاده قرار گیرند. این پیشرفت، حاصل تحقیقاتی است که در دانشگاه دوک انجام شده است.
نانولوله‌های کربنی برای اولین‌بار در اوایل دهه ۱۹۹۰ کشف شدند. این ساختارها از صفحات منفرد اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند که به‌صورت استوانه‌ای لوله شده‌اند. ویژگی‌های استثنایی این نانولوله‌ها آن‌ها را به یکی از مواد شگفت‌انگیز قرن تبدیل کرده است. این استوانه‌های ریز نه‌تنها استحکامی بیشتر از فولاد دارند، بلکه به‌اندازه‌ای نازک هستند که ضخامت ۵۰ هزار عدد از آن‌ها معادل یک تار موی انسان خواهد بود.
ویژگی منحصر‌به‌فرد دیگر این نانولوله‌ها، رسانایی بسیار بالای آن‌ها در انتقال الکتریسیته و حرارت است. به همین دلیل، از مدت‌ها پیش، نانولوله‌های کربنی به‌عنوان جایگزینی برای سیلیکون در صنعت الکترونیک معرفی شده‌اند، زیرا امکان ساخت مدارهایی سریع‌تر، کوچک‌تر و کارآمدتر را فراهم می‌کنند.
با وجود این ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد، تولید نانولوله‌هایی با خواص مشخص، چالشی بزرگ محسوب می‌شود. بسته به نحوه لوله شدن، برخی نانولوله‌ها ویژگی فلزی دارند، به این معنا که الکترون‌ها می‌توانند در هر سطح انرژی در آن‌ها جریان یابند. اما این نوع نانولوله‌ها قابل خاموش و روشن شدن نیستند، که این امر استفاده از آن‌ها را در مدارهای دیجیتال محدود می‌کند. مدارهای دیجیتال، برای پردازش اطلاعات، نیازمند المان‌هایی هستند که بتوانند بین دو حالت صفر و یک تغییر وضعیت دهند، درست مانند ترانزیستورهای نیمه‌هادی مبتنی بر سیلیکون.
پروفسور مایکل تریان و تیم پژوهشی‌اش در دانشگاه دوک، راهکاری برای این چالش یافته‌اند. آن‌ها موفق شده‌اند نانولوله‌های فلزی را که به‌صورت پیش‌فرض همیشه جریان را عبور می‌دهند، به نیمه‌هادی‌هایی تبدیل کنند که قابلیت خاموش و روشن شدن داشته باشند.
به گفته فرانچسکو ماستروچینک از محققان این پروژه، کلید این فرایند، استفاده از پلیمرهای خاصی است که از مولکول‌هایی با زنجیره‌های بلند تشکیل شده‌اند. این پلیمرها به‌شکلی منظم و مارپیچ‌گونه دور نانولوله‌ها پیچیده می‌شوند، درست مانند «پیچیدن یک روبان به دور یک مداد».
تحقیقات نشان داد که این تغییر کاملاً برگشت‌پذیر است. هنگامی که نانولوله با پلیمر پیچیده می‌شود، ویژگی الکترونیکی آن از حالت رسانا به نیمه‌هادی تغییر می‌کند. اما اگر پلیمر برداشته شود، نانولوله مجدداً به حالت فلزی بازمی‌گردد. محققان همچنین دریافتند که با تغییر نوع پلیمر مورد استفاده، می‌توان انواع جدیدی از نیمه‌هادی‌های نانولوله‌ای را طراحی کرد. این نیمه‌هادی‌ها تنها در شرایطی که مقدار مشخصی از انرژی خارجی به آن‌ها اعمال شود، رسانایی پیدا می‌کنند.
این روش، به گفته پروفسور تریان، «ابزاری ظریف و جدید» را برای طراحی نیمه‌هادی‌ها ارائه می‌دهد. هرچند هنوز راه زیادی تا تجاری‌سازی این فناوری باقی مانده است، اما این پژوهش اهمیت زیادی دارد، زیرا امکان طراحی نیمه‌هادی‌هایی را فراهم می‌کند که در مواجهه با طول‌موج‌های خاصی از نور، از جمله نور مادون قرمز، جریان الکتریکی تولید کنند.
در آینده، یافته‌های این تیم تحقیقاتی ممکن است در طراحی نانولوله‌هایی که گرمای منتشر شده به‌عنوان اشعه مادون قرمز را شناسایی می‌کنند، به‌کار رود. این فناوری می‌تواند برای تشخیص افراد یا وسایل نقلیه‌ای که در سایه پنهان شده‌اند، مورد استفاده قرار گیرد. به‌عنوان مثال، هنگامی که نور مادون قرمز، مانند نوری که از بدن موجودات خون‌گرم ساطع می‌شود، به این ترکیب نانولوله-پلیمر برخورد کند، یک سیگنال الکتریکی تولید خواهد شد.
همچنین، این روش می‌تواند برای بهبود راندمان سلول‌های خورشیدی به‌کار گرفته شود. نیمه‌هادی‌های مبتنی بر نانولوله‌های کربنی می‌توانند طیف وسیع‌تری از طول‌موج‌های خورشیدی را به برق تبدیل کنند و در نتیجه، انرژی بیشتری از نور خورشید استخراج شود.
علاوه بر این، به‌دلیل ساختار مارپیچی پوشش پلیمری روی سطح نانولوله‌ها، این مواد می‌توانند گزینه‌ای ایده‌آل برای فناوری‌های جدید محاسباتی و ذخیره‌سازی داده‌ها باشند، فناوری‌هایی که نه‌تنها از بار الکتریکی، بلکه از چرخش الکترون‌ها برای پردازش و انتقال اطلاعات بهره می‌برند.
