Ved vækst i nanorør, fejl er ikke en mulighed

(Phys.org) - Ved den rigtige temperatur, med den rigtige katalysator, der er ingen grund til et perfekt enkeltvægget carbon nanorør 50, 000 gange tyndere end et menneskehår kan ikke dyrkes en meter langt.

Denne beregning er et resultat af en undersøgelse foretaget af samarbejdspartnere på Rice, Hong Kong Polytechnic og Tsinghua universiteter, der udforskede den selvhelbredende mekanisme, der kunne gøre en sådan ekstraordinær vækst mulig. Det er vigtigt for forskere, der ser kulstofnanorør af høj kvalitet som kritiske for avancerede materialer og, hvis de kan væves ind i lange kabler, strømfordeling over fremtidens net.

Rapporten offentliggjort online af Fysisk gennemgangsbreve er af Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson; Feng Ding, en adjungeret adjunkt ved Rice og en adjunkt ved Hong Kong Polytechnic; hovedforfatter Qinghong Yuan, en postdoktor ved Hong Kong Polytechnic; og Zhiping Xu, professor i ingeniørmekanik ved Tsinghua og tidligere postdoktor ved Rice.

De fastslog, at jern er det bedste og hurtigste blandt almindelige katalysatorer til helbredelse af topologiske defekter - ringe med for mange eller for få atomer - der uundgåeligt bobler op under dannelsen af ​​nanorør og påvirker deres værdifulde elektroniske og fysiske egenskaber. Den rigtige kombination af faktorer, primært temperatur, fører til kinetisk helbredelse, hvor kulstofatomer, der er kommet på afveje, omdirigeres til de energisk gunstige sekskanter, der udgør nanorør og deres flade fætter, grafen. Teamet anvendte densitetsteori til at analysere de energier, der er nødvendige for transformationen.

”Det er overraskende, at helingen af ​​alle potentielle defekter - femkanter, heptagoner og deres par - under carbon nanorør er vækst ganske let, Sagde Ding, der var forsker i Yakobsons rislaboratorium fra 2005 til 2009. ”Kun mindre end en-10 milliarder kan overleve en optimal vækstbetingelse. Hastigheden af ​​fejlheling er fantastisk. Hvis vi tager sekskanter som gode fyre og andre som onde, der ville kun være en dårlig fyr på jorden. ”

Energierne forbundet med hvert carbonatom bestemmer, hvordan det finder sin plads i den kyllingetrådlignende form af et nanorør, sagde Yakobson, Rices Karl F. Hasselmann Leder i teknik og professor i materialevidenskab og maskinteknik og kemi. Men der har været en lang debat blandt forskere om, hvad der egentlig sker ved grænsefladen mellem katalysatoren og et voksende rør.

”Der har været to hypoteser, ”Sagde Yakobson. "En populær var, at defekter ofte skabes og kommer ind i rørets væg, men derefter annealer de senere. Der er en slags reparationsproces. En anden hypotese er, at de stort set slet ikke dannes, hvilket lyder ganske urimeligt.

”Det hele var bare snak; der var ingen kvantitativ analyse. Og det er her, dette arbejde yder et vigtigt bidrag. Det vurderes kvantitativt, baseret på state-of-the-art beregninger, specifikt hvor hurtigt denne glødning kan finde sted, afhængig af placering, Sagde han.

Et nanorør vokser i en ovn, når kulstofatomer tilsættes, en efter en, ved katalysatoren. Det er som at bygge toppen af ​​en skyskraber først og tilføje mursten til bunden. Men fordi disse mursten tilføjes i en rasende hastighed - millioner i løbet af få minutter - kan der ske fejl, ændre strukturen.

I teorien, hvis en ring har fem eller syv atomer i stedet for seks, det ville skæve den måde, hvorpå alle efterfølgende atomer i kæden orienterer sig; en isoleret femkant ville gøre nanorøret til en kegle, og en heptagon ville gøre det til et horn, Sagde Yakobson.

Men beregninger viste også, at sådanne isolerede defekter ikke kan eksistere i en nanorørvæg; de ville altid vises i 5/7 par. Det gør en hurtig løsning lettere:Hvis et atom kan blive bedt om at flytte fra heptagon til femkant, begge ringe kommer op seksere.

Forskerne fandt ud af, at meget overgang sker bedst, når kulstofnanorør dyrkes ved temperaturer omkring 930 kelvin (1, 214 grader Fahrenheit). Det er det optimale til helbredelse med en jernkatalysator, som forskerne fandt, har den laveste energibarriere og reaktionsenergi blandt de tre almindelige katalysatorer, der overvejes, herunder nikkel og kobolt.

Når en 5/7 dannes ved grænsefladen mellem katalysatoren og det voksende nanorør, helbredelse skal ske meget hurtigt. De yderligere nye atomer skubber defekten ind i nanorørvæggen, jo mindre sandsynligt er det at blive helbredt, de bestemte; mere end fire atomer væk fra katalysatoren, defekten er låst inde.

Stram kontrol over de betingelser, hvorunder nanorør vokser, kan hjælpe dem med at korrigere sig selv i farten. Fejl ved atomplacering fanges og rettes i en brøkdel af et millisekund, før de bliver en del af nanorørvæggen.

Forskerne fastslog også gennem simuleringer, at jo langsommere væksten, jo længere en perfekt nanorør kunne være. Et nanorør, der vokser omkring 1 mikrometer i sekundet ved 700 kelvin, kan potentielt nå målerens milepæl, de fandt.