Nanokroužky byly představeny na konci února jako nový člen rodiny útvarů nanometrické velikosti tvořených jediným krystalem oxidu zinečnatého (ZnO). Dříve již byly vytvořeny nanopásky a nanopružinky.

Jak se takové uzavřené kroužky vyrobí?
V peci se směs oxidu zinečnatého, oxidu inditého (In₂O₃) a uhličitanu litného (LiCO₃) v poměru 20:1:1 zahřeje na 1 400 °C proudem argonu. Kroužky se vytvářejí při ochlazování na hlinitanovém podkladu v té části pece, kde je teplota udržována v rozmezí 200 až 400 °C.

Nejdříve se začnou tvořit nanopásky (stužky ZnO podobné nanopáskům vytvořeny tímtéž týmem již v roce 2001). Pásky mají šířku a tloušťku kolem 15 nanometrů. Na jejich povrchu převládají elektrostatické síly. Jejich příčinou je stejně jako u dipólů vody rozložení elektronů v molekule. Strana tvořená atomy kyslíku má záporný náboj a strana tvořena atomy zinku má kladný náboj. Představte si molekulu oxidu zinečnatého jako dvě spojené kuličky, z nichž jedna má náboj kladný a druhá záporný. Ty potom nastojato naskládejte vedle sebe (klidně i ve více vrstvách) a vznikne vám pásek s jedním povrchem nabitým kladně a druhým záporně.

Viz obrázek, kde žluté kuličky představují zinek a modré kyslík.

Pozn. Toto přiblížení je opravdu velmi zjednodušené. Blíží se totiž kubické mřížce prostorově středěné, ale oxid zinečnatý krystalizuje v takzvané wurtzitové mřížce. Princip však zůstává stejný.

Takový pásek má díky příměsím tendenci se zkrucovat tak, že se jeho jednotlivé závity navíjejí přímo na sebe kladná strana na zápornou a tím se eliminuje elektrický potenciál jednotlivých stran pásku. Ovšem elektrický potenciál jednotlivých stran způsobí, že se pásek navíjí s dokonalou přesností závit za závitem. Podle toho, kolika závity je kroužek tvořen, takové šířky dosáhne. Počet závitů se obvykle pohybuje od pěti do sta.

Asi po 30 minutách v peci na vyšší teplotě se pásek chemicky a epitaxně (viz dále) slepí čímž vytvoří jediný krystal, který už nemůže být rozdělen na jednotlivé závity. Epitaxní slepení znamená to, že horní a dolní pásek mají totožnou krystalickou strukturu, takže molekuly do sebe jakoby zapadnou (krystalová mřížka musí přímo navazovat) a bez problému vytvoří monokrystal.

Narozdíl od uhlíkových nanotrubek pro nanokroužky z oxidu zinečnatého zatím neexistuje praktické využití. Ale jejich možnosti se zdají být obrovské. Zejména díky již zmíněným piezoelektrickým vlastnostem.

To, že materiál má piezoelektrické vlastnosti, znamená, že když takový materiál deformujeme, vzniká na něm elektrické napětí. A nebo se naopak přivedením napětí ke krystalu může dosáhnout jeho deformace. Toho se plně využívá i v současné elektronice. Například na měření zrychlení podle průhybu trojhranného piezokrystalu a v mnoha dalších aplikacích.

Miniaturní rozměry, specifický tvar a polovodivost dávají nanokroužkům výhodu před jinými nanostrukturami. Navíc oxid zinečnatý neškodí lidskému organizmu, a tak nanokroužky a nanopružinky budou moci být součástí implantovatelných senzorů, které by v našem těle sledovaly krevní tlak, průtok krve cévami nebo třeba také stav každé jednotlivé buňky. V technice se mohou uplatnit jako rezonátory, snímače či dokonce miniaturní ložiska nebo součásti miniaturních čerpadel využívajících piezoelektrického jevu. Vědce také potěší možnost na nich zkoumat elektromechanické vazby v nanoměřítku.

Objev těchto nových nanostruktur z materiálu s takto zajímavými vlastnostmi otevírá celou novou oblast vývoje nanotechnologií. Ta má přinejmenším stejně dobrou perspektivu jako odvětví uhlíkových nanotrubek. Nanokroužky, nanopružinky a nanopásky sice neoplývají tak dobrými mechanickými vlastnostmi, ale materiál, ze kterého jsou vytvořeny, je předurčuje k využití jejich zajímavých elektrických vlastností.

Autor píše weblog o vědě a technice Techblog

---

Hlavní zdroj informací:
Nanorings: Seamless Circular Nanostructures (26. 2. 2004)