Σύμφωνα με μια αναφορά στο τελευταίο τεύχος του Science, μια ομάδα ερευνών υπό την ηγεσία του Πανεπιστημίου του Τόκιο στην Ιαπωνία έχει καταφέρει να κατασκευάσει έναν μονοστρωματικό ημιαγωγό νανοσωλήνα μολυβδενίου διθειούχου (MoS₂) με διάμετρο μόλις 1 νανομέτρου, περίπου ένα εκατομμυριοστό της πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας, χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες βορικού νιτρίδιου (BN) ως πρότυπο. Η δομή αυτή θεωρείται ο μικρότερος ημιαγωγός νανοσωλήνας στον κόσμο μέχρι σήμερα. Η επίτευξη αυτή επιβεβαιώνει όχι μόνο τις θεωρητικές προβλέψεις που έγιναν δεκαετίες πριν σχετικά με τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των υπερλεπτών υλικών, αλλά προσφέρει επίσης μια νέα προσέγγιση για την ανάπτυξη των επόμενης γενιάς μινιμαλιστικών ηλεκτρονικών συσκευών.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα κάποτε τραβούσαν ευρύ ενδιαφέρον για τις εξαιρετικές μηχανικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Ωστόσο, μικρές διαφορές στη δομή τους σε ατομικό επίπεδο μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την αγωγιμότητά τους, δημιουργώντας προκλήσεις για τις εφαρμογές τρανζίστορ. Αντίθετα, το MoS₂ είναι ένα φυσικά ημιαγωγικό υλικό με ευρείες δυνατότητες σε ηλεκτρονικές συσκευές ημιαγωγών, σε αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας και σε έρευνα φυσικής κβαντικής κλίμακας. Καθώς όμως οι διάμετροι των νανοσωλήνων μειώνονται, η σταθερότητα της δομής και η δυσκολία κατασκευής αυξάνονται απότομα. Η παραγωγή υπερλεπτών νανοσωλήνων MoS₂ με ελεγχόμενες δομές παραμένει επομένως μια σημαντική πρόκληση στον τομέα της επιστήμης υλικών.
Για να ξεπεράσουν αυτό τον περιορισμό, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε χημικές αντιδράσεις εντός του στενού εσωτερικού χώρου των νανοσωλήνων BN, συνθέτοντας μονοστρωματικούς νανοσωλήνες MoS₂ με διάμετρο μόλις 1 νανομέτρου και σαφώς καθορισμένη ατομική δομή. Οι ερευνητές δήλωσαν ότι αυτός ο περιορισμένος χώρος επέτρεψε την ανάπτυξη υπερλεπτών νανοσωλήνων MoS₂ που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο να σχηματιστούν, ενώ προήγαγε επίσης την τακτοποιημένη ατομική διάταξη και παρήγαγε υλικά υψηλής ομοιομορφίας με καλά καθορισμένες δομές.
Η μελέτη διαπίστωσε ότι το ενεργειακό κενό μειώνεται καθώς η διάμετρος του νανοσωλήνα γίνεται μικρότερη, επιβεβαιώνοντας μια θεωρητική πρόβλεψη που προτάθηκε πριν 25 χρόνια.
Οι συμβατικές μέθοδοι κατασκευής νανοσωλήνων συνήθως παράγουν πολυστρωματικούς νανοσωλήνες με διαμέτρους μεγαλύτερες από 10 νανομέτρα, και οι ατομικές τους δομές είναι συχνά δύσκολο να ελέγχονται με ακρίβεια. Σε νανοκλίμακα, ακόμη και εξαιρετικά μικρές δομικές διαφορές μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απόδοση των υλικών. Η επίτευξη ελέγχου σε ατομικό επίπεδο της δομής είναι επομένως εξαιρετικά σημαντική για μελλοντικές εφαρμογές συσκευών.
Οι υπάρχουσες τεχνολογίες ημιαγωγών αντιμετωπίζουν αυξανόμενες δυσκολίες στη διατήρηση της δομικής τελειότητας καθώς οι συσκευές συνεχίζουν να μικραίνουν, με τα ελαττώματα να έχουν μεγαλύτερη επίδραση σε μικρότερες κλίμακες. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αντιμετωπίζουν παρόμοιες προκλήσεις. Οι νανοσωλήνες MoS₂ μπορεί να προσφέρουν πλεονεκτήματα στον έλεγχο των διαστάσεων και στη συνέπεια της ατομικής δομής, παρέχοντας μια πιθανή νέα οδό για την κατασκευή υπερμινιμαλιστικών καναλιών ημιαγωγών.
Η επίτευξη αυτή παραμένει σε κάποια απόσταση από την πρακτική εφαρμογή. Οι νανοσωλήνες που παράγονται αυτή τη στιγμή είναι μόλις αρκετές εκατοντάδες νανομέτρων σε μήκος. Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει το μήκος τους σε περίπου 1 μικρόμετρο, ή 1.000 νανομέτρα, και να εξετάσει κατά πόσο η ίδια μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή άλλων ανόργανων νανοσωλήνων, συμπεριλαμβανομένων μαγνητικών και υπεραγώγιμων υλικών.