Forskere forfiner formel for nanorørstyper

(Phys.org) - Mange gode ideer stammer fra samtaler over en kop kaffe. Men det er sjældent og vidunderligt, når der kommer en åbenbaring fra selve koppen.

Rice University teoretiske fysiker Boris Yakobson, handlede ved pludselig inspiration på et møde sidste år i Arlington, Va., fik et par ekstra kaffekopper fra en server og en saks og lagde frem-science fair-style-en idé, der kunne have vidtrækkende konsekvenser for nanoteknologiindustrien.

Som afspejlet i et nyt papir i Naturkommunikation , Yakobson og hans Rice -kolleger, postdoktorforsker Vasilii Artyukhov og forsker Evgeni Penev, var kommet med frøet (eller måske, bønne) med en simpel formel, der beskriver, hvorfor nanorør har kiralitet. Kiralitet er den egenskab, der beskriver vinklen på carbonatom -sekskanterne, der udgør et nanorørs vægge.

Forskerne sagde, at viden i sidste ende kan give kemikere mulighed for at kontrollere chiraliteten af ​​hele partier nanorør, når rørene vokser.

Carbon nanorør er ark af grafen, den enkelt-atom tykke form af kulstof, rullet ind i en cylinder. Visse typer, kaldet lænestol-nanorør-såkaldt til måden deres kanter ligger på-har fremragende ledningsevne og kan være nøglen til tabsfrie strømtransmissionskabler. Drej sekskanterne 30 grader, og nanorørene bliver det, der kaldes zigzag -type, en halvledende variant, der har stor værdi for elektroniske applikationer.

Zigzags, lænestole og alle nanorørene imellem er defineret af deres chiralitet. Deres elektroniske, kemiske og optiske egenskaber ændres med hver grad mellem nul og 30, hvor sekskanterne vippes.

Nanorør vokser i mængder af mange typer, og ingen har endnu fundet en effektiv måde at opnå rør af en enkelt type i industrielle mængder. Det bedste håb for nye teknologier, der anvender nanorør, er at finde ud af, hvordan man dyrker enkeltkiralitetspartier.

At, det viser sig, kan være et spørgsmål om at afbalancere to modsatrettede kræfter:energien fra katalysator-nanorørkontakten og den hastighed, hvormed atomer fester sig, når de tvinger nanorøret til at vokse nedefra og op.

Yakobson og hans kolleger var mest fascinerede af, at, i løbet af det sidste årti, vækst i nanorør i flere laboratorier har afsløret en stærk præference for næsten lænestolversioner med minimal chiralitet. Som vokset, disse nanorør vipper i bunden, mens de stadig er fastgjort til metalkatalysatoren. "De læner tårne ​​af kulstof, "Sagde Yakobson, selvom det ville have gjort Pisa jaloux, fordi nanorør kan være tusindvis af gange højere end de er brede. Plus, de spinder, når de vokser i stedet for at stå stille.

"Fra et teoretisk synspunkt, det var virkelig et puslespil, "Sagde Penev." Hvorfor vokser de kirale, og hvad kan styre denne type kiralitet? "

Yakobson og hans Rice -gruppe har specialiseret sig i teoretisk analyse af energi på atomniveau. Når professoren, med kop og saks i hånden, skær et hak i beholderen, det hele begyndte at give mening.

"Da vi så meget omhyggeligt på termodynamikken og kinetikken i atomgrænsefladen mellem katalysatoren og kroppen i det voksende kulstofgitter, vi opdagede, at der er en balance mellem kontaktens energi og den hastighed, hvormed carbonatomer kan indsættes, " han sagde.

Forskerne beskrev energi og hastighed som "antagonistiske tendenser, "som den energiske præference læner sig mod et nanorør med flad bund, der krammer katalysatoren og resulterer i enten lænestol eller zigzag" achirale "rør, mens behovet for hastighed fører til kirale rør.

Den bedste balance blev opnået, da nanorørene viste et enkelt knæk ved basen, som en tand på en sav, og efterlod den nødvendige mængde plads til atomer kan fastgøre sig selv og tvinge røret til at spiralere opad.

"Den kritiske detalje er, at kulstof er lettere at indsætte i grænsefladen mellem katalysatoren og nanorørlegemet, hvis der er en løs plet, "Artyukhov sagde." Denne løse plet skyldes altid knækket i fundamentet, så at sige."

Følgelig, under beregning af vækstfordelingen af ​​nanorør i et parti, forskerne fandt, at de mest udbredte nanorør er dem, der er meget tæt på lænestolstype, især når væksten finder sted ved lavere temperaturer og med en fast katalysator. Højere temperaturer og en flydende katalysator har en tendens til at producere et bredere udvalg af chirale nanorør. Begge resultater kan forklares med formlen, ifølge papiret.

"Faktisk, en af ​​de mest tilfredsstillende ting ved dette arbejde er, at al denne kompleksitet kan pakkes ind i en meget simpel matematisk ligning, "Sagde Yakobson." Det havde jeg aldrig forventet. "