Fladflade nanorør er fulde af potentiale:Forskere afslører detaljer om lukkede grafen nanobånd

(Phys.org) -- Sammenklemte nanorør kan være modne med nye muligheder for videnskabsmænd, ifølge en ny undersøgelse fra Rice University.

Forskere ved Rices Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology er kommet med et sæt fakta og tal om kulstof-nanorør, der ser ud til at kollapse under vækstprocessen; de fandt ud af, at disse unikke konfigurationer har egenskaber af både nanorør og grafen nanobånd.

Hvad forskerne kalder "closed-edge graphene nanoribbons" kunne kickstarte forskning i deres anvendelighed i elektronik- og materialeapplikationer.

Det banebrydende arbejde ledet af Robert Hauge, en fremtrædende fakultetsstipendiat i kemi på Rice, er beskrevet i et papir, der udkom online i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

"Et kollapset nanorør ligner meget grafen i midten, men præcis som buckyballs (kulstof-60 molekyler, en nobelprisvindende opdagelse ved Rice) på siderne, sagde Hauge. "Det betyder, at du har grafenens kemi i midten og kemien af ​​buckyballs på kanterne. Og du kan adskille de to elektronisk ved at sætte funktionelle grupper på siderne for at isolere det øverste og nederste lag.

"Hvis du laver kantkemi, der gør siderne til isolatorer, så kommunikerer toppen ikke med bunden elektronisk, undtagen gennem en eller anden van der Waals-type eller ophidset-tilstand interaktion, " sagde han. "Det er der, den nye fysik og måske elektroniske egenskaber vil komme fra."

Fundet kan føre til, at der er vokset til orden, to- eller firelags grafen nanobånd med perfekte kanter, et produkt, der er svært at opnå ved at pakke nanorør ud eller på anden måde skære i skiver. "Grafenverdenen søger efter måder at lave veldefinerede bånd på, sagde Hauge. »De skal altid skære grafen op og ende med dårligt definerede sider, der påvirker deres elektroniske egenskaber. Disse har fordelen af ​​en meget bedre defineret kant."

Hauges bevidsthed om tidligere arbejde med nanorør-kollaps fik ham til at studere fænomenet. "Jeg har været interesseret i at dyrke nanorør med større diameter, baseret på katalysatorpartikelstørrelse, i nogen tid nu, " sagde han. "Vi troede, de kunne kollapse, så vi begyndte at lede efter beviserne."

Holdet fandt, at folder, drejninger og knæk i nanorør set gennem et transmissionselektronmikroskop og målt gennem et atomkraftmikroskop var gode indikatorer for kollapsede nanorør. Disse nanorør var omkring 0,7 nanometer i højden langs midten og lidt mere ved, hvad forskerne kaldte de "højt belastede løg" ved kanterne. Men at finde fladtrykte rør viste ikke, hvordan de kom på den måde.

Hauge henvendte sig til Rices teoretiske fysiker Boris Yakobson for at se, hvordan den iboende energi af atomer i grafen – en af ​​hans specialer – ville tillade et sådant kollaps at ske. Yakobson satte kandidatstuderende og medforfatter Ksenia Bets på sagen.

"Oprindeligt, vi troede, at dette ville være et lille og simpelt problem, og det viste sig at være enkelt – men ikke så lille, " sagde Bets. Ved hjælp af molekylær dynamisk simulering, hun tilpassede data fra eksperimentalisterne til atomistiske modeller af enkeltvæggede nanorør. "Og så, bruger de samme parametre, Jeg producerede resultater for dobbeltvægge, og de passer også nøjagtigt med de eksperimentelle data."

Resultaterne indsamlet i løbet af seks måneder bekræftede sandsynligheden for, at fleksible nanorør, der flagrer i gasbrisen inde i en ovn ved væksttemperatur - 750 grader Celsius, faktisk kan få det til at kollapse. Hvis to atomer på hver side af den indre væg kommer tæt nok på hinanden, de kan starte en van der Walls-kaskade, der gør nanorøret fladt, Sagde bets.

"I første omgang det kræver energi at trykke på nanorøret, men du når et punkt, hvor de to sider begynder at mærke hinanden, og de begynder at få tiltrækningsenergien, sagde Hauge. "Van der Waals-styrken tager over, og rørene foretrækker da at blive kollapset."

Han sagde, at den energi, der kræves for at kollapse et nanorør, falder, efterhånden som rørets diameter øges. "Det er som et sugerør, " sagde han. "For et enkeltvægget nanorør, jo større bliver det, jo nemmere er det at forvrænge."

Mere betydningsfulde var beregninger, der bestemte de specifikke diametre, hvor nanorør bliver tilbøjelige til at kollapse. Der er en pointe, Hauge sagde, hvor et nanorør kunne gå begge veje, så spredningen af ​​nanorør til nanobånd i en batch med en bestemt diameter bør være omtrent lige stor. Når diameteren øges, balancen skifter til båndenes favør.

"Det er et slutspil mellem belastningsenergien på kanterne versus van der Walls interaktion i midten, " sagde han. Specifikt, de fandt ud af, at fritstående enkeltvægsrør bliver modtagelige for at kollapse, når de er mindst 2,6 nanometer i diameter - hvad forskerne kaldte "energiækvivalenspunktet." Teori dikterer, at diameteren ville falde til 1,9 nanometer for et enkeltvægsrør, der sidder på en grafen overflade, han sagde, because of additional atomic interaction with the substrate.

Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, " sagde han. “That’s the tipping point. Anything above, energetically, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, " sagde han. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, " sagde han. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”