Nanorør vækstteori eksperimentelt bekræftet

(PhysOrg.com) -- Air Force Research Laboratory i Dayton, Ohio, har eksperimentelt bekræftet en teori af Rice University Professor Boris Yakobson, der forudsagde et par interessante egenskaber om nanorørs vækst:At et nanorørs chiralitet styrer hastigheden af ​​dets vækst, og at lænestols nanorør skal vokse hurtigst.

Værket er et sikkert skridt hen imod at definere alle de mysterier, der ligger i det, Yakobson kalder "DNA-koden for nanorør, " de parametre, der bestemmer deres chiralitet - eller vækstvinkel - og dermed deres elektriske, optiske og mekaniske egenskaber. Udvikling af evnen til at dyrke partier af nanorør med specifikke egenskaber er et kritisk mål for forskning i nanoskala.

Det nye papir af Air Force seniorforsker Benji Maruyama; tidligere luftvåbenkollega Rahul Rao, nu på Honda Research Institute i Ohio; Yakobson og deres medforfattere optrådte i denne uge i onlineversionen af ​​tidsskriftet Naturmaterialer .

Det er en interessant oplysning i en saga, der begyndte med et papir fra 2009 af Yakobson og hans samarbejdspartnere. Det papir, som præsenterede den teoretiske fysikers dislokationsteori om chiralitetskontrolleret vækst, beskrev, hvordan nanorør opstår, som om enkelte tråde af atomer væver sig ind i de nu velkendte kyllingetrådslignende rør. Det vakte også en smule kontrovers om, hvad resultaterne præcis betød.

"Boris fik lidt varme over det, " sagde Maruyama. "Det eksperimentelle arbejde derude viste, at hans teori kunne være sand, men de kunne ikke bekræfte det. Det gode ved vores arbejde er, at det er ret entydigt."

Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik og materialevidenskab og professor i kemi, tog det hele med ro. "Kritikken påvirkede ikke noget, det var faktisk den bedste reklame og motivation for det videre arbejde, " sagde han. "Faktisk, (nanorør-pioner Sumio) Iijima bemærkede tidligt, at 'helicitet kan hjælpe med væksten'. Vi har transformeret det til en verificerbar ligning."

Eksperimentel bekræftelse af en teori er aldrig endelig, men altid tilfredsstillende, han indrømmede, og Air Force-laboratoriet var unikt udstyret til at bevise sammenhængen mellem hastigheden af ​​et nanorørs vækst og dets chirale vinkel.

Chiraliteten af ​​et enkeltvægget nanorør bestemmes af den måde, dets kulstofatomer "rulles". Yakobson har beskrevet det som at oprulle en avis; nogle gange står typen på linje, og nogle gange gør det ikke. Den justering bestemmer nanorørets elektriske egenskaber. Metalliske lænestol nanorør, så opkaldt efter formen af ​​deres uafsluttede kanter, er særligt ønskelige, fordi elektroner passerer fra spids til spids uden modstand, mens halvledende nanorør er nyttige til elektronik, blandt andre applikationer.

Rao udviklede en teknik i Maruyamas laboratorium til at måle vækstraterne af individuelle nanorør. "Det er et imponerende setup, " sagde Yakobson. "De kan dyrke individuelle rør i meget lav tæthed og identificere deres signaturer - deres chiralitet - og samtidig måle, hvor hurtigt de vokser."

Teknikken involverede montering af katalysatornanopartikler på mikroskopiske siliciumsøjler og affyring af stramt kontrollerede lasere mod dem. Varme fra laseren fik nanorørene til at vokse gennem en standardteknik kaldet kemisk dampaflejring, og på samme tid, forskerne analyserede nanorørvækst via Raman-spektroskopi.

Fra spektret, de kunne fortælle, hvor hurtigt et nanorør voksede, og på hvilket tidspunkt væksten ophørte. Efterfølgende elektronmikroskopbilleder bekræftede, at spektrene var fra individuelle enkeltvæggede nanorør, mens chirale vinkler blev bestemt ved at sammenligne Raman-spektre og nanorørdiametre efter vækst med Kataura-plottet, som kortlægger chiralitet baseret på båndgab og diameter.

De bemærkede i papiret, at resultaterne giver grundlag for yderligere forskning i dyrkning af specifikke typer nanorør. "Nu hvor vi ved, hvad vækstraten er for et bestemt chiralitets nanorør, man kunne tænke på at forsøge at opnå vækst af den specifikke chiralitet ved at påvirke vækstbetingelserne i overensstemmelse hermed, " sagde Rao. "Så, i bund og grund, vi har nu endnu en 'knap' at dreje på."

"Dette arbejde er på et meget tidligt udviklingsstadium, og det hele handler om post-nukleation, " sagde Yakobson. "Nukleation sætter, hvad jeg tænker på som den genetiske kode - meget primitiv sammenlignet med biologi - der bestemmer chiraliteten og væksthastigheden af ​​et nanorør." Han sagde, at det måske en dag er muligt at diktere formen på et nanorør da det begynder at boble op fra en katalysator, "men det vil kræve en masse opfindsomhed."

Yakobson afslørede en formel sidste år, der definerede kernedannelsessandsynligheden gennem kantenergierne for grafen, som dybest set er et skåret og fladt nanorør. Men den tidligere og relaterede dislokationsteori gælder for følgende vækst, og hvis det bekræftes yderligere, kan det vise sig at være hans mesterværk.

"Dislokationsteorien om vækst er elegant og enkel, " sagde Rao. "Det er stadig for tidligt at sige, at det er den eneste vækstmekanisme, men Boris skal have masser af æren for at have foreslået denne dristige idé i første omgang."