Rene nanorør-type vækstkanter mod det mulige

Ny forskning ved Rice University kunne i sidste ende vise videnskabsmænd måden at lave batches af nanorør af en enkelt type.

En artikel i online-journalen Fysiske anmeldelsesbreve afslører en elegant formel af Rice University fysiker Boris Yakobson og hans kolleger, der definerer energien af ​​et stykke grafen skåret i enhver vinkel.

Yakobson, en professor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi, sagde, at dette alene er vigtigt, fordi den måde, grafen håndterer energi på, afhænger af vinklen - eller chiralitet - af dens kant, og at løse den proces for ulige vinkler har været ekstremt udfordrende. Men, han skrev, forskningen har "dybtgående implikationer i forbindelse med vækst af nanorør, tilbyder rationelle måder at kontrollere deres chirale symmetri, et fristende, men hidtil uhåndgribeligt mål."

Grafen er den enkeltatom-tykke form for kulstof, der er blevet af enorm interesse for dets potentiale til at revolutionere elektronik, optik, sensorer og mekaniske enheder. At få styr på, hvordan denne kyllingetrådsformede plade af kulstofatomer transporterer elektricitet, har været i fokus for intense undersøgelser.

Et ark grafen med zigzag- eller lænestolskanter firkanter pænt. Zigzags er metalliske, lænestole er halvledere, og deres atomer marcherer i rang, jævnt fordelt, langs kanterne. Hele 30 graders rotation adskiller den ene fra den anden.

Men hvis de sekskanter, der udgør et ark, er forskudt mindre end 30 grader, atomer langs en lige kant er ujævnt fordelt. "Det gør analysen af ​​energien meget kompliceret, fordi det er en stor uregelmæssig struktur. Det er ligesom støj, " sagde Yakobson. "Vi har fundet en måde at beregne energierne i disse vilkårlige vinkler, " han sagde.

Yakobson og hans medforfattere, Yuanyue Liu, en kandidatstuderende i sit laboratorium, og Alex Dobrinsky, en tidligere kandidatstuderende og nu postdoc-forsker ved Brown University, undrede sig snart over, hvordan disse resultater gjaldt for kulstofnanorør.

"Der er lige så mange måder at rulle grafen til et nanorør, som der er måder at rulle en avis på, " sagde Yakobson. "Teksten kan justeres i omkredsen eller køre lige langs aksen eller spiral i en vinkel."

Mens det at rulle en avis gør det svært at læse, at rulle kulstof ind i et nanorør gør det relativt nemt at "læse" dens type - uanset om det er lænestol eller zigzag eller en variation derimellem. Det, der er umuligt, er at kontrollere, hvordan røret ruller. Processen har en tendens til at være frivillig, efterlader forskerne opgaven med at adskille de nanorør, de har brug for, fra hovedmassen gennem ultracentrifugering eller andre dyre procedurer.

Yakobson sagde, at det ville være en rigtig game-changer, hvis de kunne, for eksempel, dyrke partier af rene lænestolsnanorør til brug i sådanne projekter som lænestol kvante nanowire (AQW). Som Rices afdøde nobelpristager Richard Smalley forestillede sig, AQW kunne revolutionere nationens elnet ved at bære 10 gange mængden af ​​elektricitet som kobber med kun en sjettedel af vægten.

Yakobsons arbejde kan åbne en vej til at gøre det. Et nanorørs chiralitet bestemmes af kombinationen af ​​energier, der spiller i dets kernedannelse. "Når det lige dukker op fra 'ursuppen' af kulstof, kanten af ​​røret er stort set den samme som kanten af ​​grafen, " han sagde.

"Først det er bare en kasket. Der er ingen stamme endnu. Du steger disse kasketter på en stegepande, og de bobler, " sagde han. "Sandsynligheden for, at forskellige bobler dukker op, styres af energi rundt om kanten."

Kiraliteten af ​​det spirende nanorør indstilles, når atomer i hætten selv samler en sjette femkant (nødvendigt for at forme sekskanterne til en kuppel). "Det er der, vi kan Jeg tror for første gang, foretage en kvantitativ vurdering af, hvordan forskellige chirale strukturer opstår, " sagde Yakobson.

Det kan være kemikernes indsats værd at se nærmere på energien mellem katalysatoren og kulstofstrukturen. "Dette lover noget, " sagde han. "Hvis du kan justere denne præference, hvis du kan ændre energi fra katalysatorsiden, du ændrer præferencen for chiraliteten. Og så kan du fortælle disse selvsamlende kulstoffer, 'Vær venlig at danse på denne måde; dans ikke på den måde.'"

Yakobson håber, at det nye arbejde hjælper med at løse det langvarige problem med nanorørs chiralitet. "I næsten to årtier, vi havde ikke en god forståelse af denne proces, " sagde han. "Faktisk, vi havde ikke en anelse. Jeg siger ikke, at dette er en komplet løsning, men det er første gang, vi har set en kvantitativ tilgang, en orden i det tilsyneladende kaos. Det føles bare tilfredsstillende.

"Bundlinjen er enkel. Vi fandt ud af grafenkanten og slog den til den hellige gral af nanorør, som er chiralitetskontrol."