Teoretikere finder mekanisme bag næsten rene nanorør fra den usædvanlige katalysator

At dyrke et parti carbon nanorør, der alle er ens, er måske ikke så simpelt som forskere havde håbet, ifølge forskere fra Rice University.

Risteoretikeren Boris Yakobson og hans team slog en teori om, at når man dyrker nanorør i en ovn, en katalysator med et specifikt atomarrangement og symmetri ville pålideligt gøre carbon nanorør af lignende kiralitet, vinklen på dens kulstof-atomgitter.

I stedet, de fandt, at den pågældende katalysator starter nanorør med forskellige kirale vinkler, men omdirigerer næsten dem alle til en hurtigt voksende variant kendt som (12, 6). Årsagen ser ud til at være en Janus-lignende grænseflade, der består af lænestol- og zigzag-segmenter-og i sidste ende ændrer, hvordan nanorør vokser.

Fordi kiralitet bestemmer et nanorørs elektriske egenskaber, evnen til at dyrke kiralspecifikke partier er en nanoteknologi hellig gral. Det kan føre til ledninger, der i modsætning til kobber eller aluminium, overføre energi uden tab. Nanorør vokser generelt i tilfældige chiraliteter.

Rice -teoretisk undersøgelse beskrevet i American Chemical Society journal Nano bogstaver kunne være et skridt i retning af katalysatorer, der producerer homogene partier af nanorør, Sagde Yakobson.

Yakobson og kolleger Evgeni Penev og Ksenia Bets og kandidatstuderende Nitant Gupta tacklede et problem, der blev præsenteret af andre eksperimentelle eksperter på en workshop i 2013, der brugte en legering af kobolt og wolfram til at katalysere enkeltvæggede nanorør. I dette laboratories batch, mere end 90 procent af nanorørene havde en chiralitet på (12, 6).

Tallene (12, 6) er koordinater, der refererer til et nanorørs chirale vektor. Carbon nanorør er sammenrullede ark af todimensionalt grafen. Graphene er meget ledende, men når det rulles ind i et rør, dets ledningsevne afhænger af vinklen - eller kiraliteten - af dets sekskantede gitter.

Lænestol-nanorør-såkaldte på grund af deres lænestollignende form-har identiske chirale indekser, kan lide (9, 9), og er meget ønsket for deres perfekte ledningsevne. De er i modsætning til zigzag -nanorør, såsom (16, 0), som kan være halvledere. Drejning af et grafenark blot 30 grader vil ændre nanorøret, det danner fra lænestol til zigzag eller omvendt.

Penev sagde, at eksperimentelisterne forklarede deres arbejde "på en måde, der var forvirrende lige fra begyndelsen. De sagde, at denne katalysator har en specifik symmetri, der matcher (12, 6) kant, så disse nanorør fortrinsvis kerner og vokser. Dette var fremkomsten af ​​den såkaldte symmetri-matchende idé om selektiv vækst af kulnanorør.

"Vi læste og fordøjede det, men vi kunne stadig ikke vikle vores sind omkring det, " han sagde.

Kort efter konferencen i 2013 Yakobson -laboratoriet offentliggjorde sin egen teori om vækst i nanorør, som viste, at balancen mellem to modsatrettede kræfter-energien fra katalysator-nanorørkontakten og den hastighed, hvormed atomer fester sig til det voksende rør ved grænsefladen-er ansvarlig for kiralitet.

Fem år senere, det viser sig at være lige så sandt i deres nye papir, dog med et twist. Risberegningerne viser, at legeringen Co7W6 fremmer dannelsen af ​​den Janus-lignende grænseflade, der sikrer den nødvendige knæk ved kanten og gør det muligt for carbonatomer at fastgøre sig til nanorørets fundament. Men katalysatoren tvinger også nanorøret til at inkorporere defekter, der ændrer dets oprindelige kiralitet midt i strømmen.

"Vi afdækkede to ting, "Sagde Yakobson." Den ene er, at carbonatomtyperne ved bunden af ​​nanorøret adskilles i lænestol- og zigzagsegmenter. Den anden er tendensen til dannelse af defekter, der driver kiraliteten, eller helicitet, lave om. Det gør (12, 6) en slags forbigående attraktor, i hvert fald under korte forsøg. Hvis de var i stand til at vokse for evigt, (12, 6) nanorør ville til sidst skifte til lænestole. "

Det usædvanlige vækstmønster var måske blevet diagnosticeret meget tidligere, hvis det ikke var for en ældgammel stavefejl, der krævede noget hårdnakket detektivarbejde.

"Problemet var i en standard online database, der giver krystalstrukturen af ​​denne kobolt-wolframlegering, "sagde Bets, medleder forfatter til papiret med Penev. "En indtastning var forkert. Det ødelagde strukturen så dårligt, at vi ikke kunne bruge den i vores tæthedsfunktionelle teoriberegninger."

Når de fandt fejlen, Væddemål og medforfatter Gupta gik tilbage til det tyske papir fra 1938, der først var detaljeret om strukturen af ​​Co7W6. Selv med det i hånden, teamets beregninger brugte hver eneste bit computerkraft, de kunne finde til at simulere de energiske forbindelser mellem hvert atom i katalysatoren og kulstofråmaterialet.

"Vi fandt ud af, at hvis vi havde kørt beregningerne i serie i stedet for parallelt, de ville have taget svarende til mindst 2, 000 års computertid, "Sagde Bets.

"Dette papir er bemærkelsesværdigt i mange aspekter:i timingen, mængden af ​​detaljer og de overraskelser, vi fandt, "Penev sagde." Vi har aldrig haft et projekt som dette. Vi ved endnu ikke, hvordan dette vil gælde for andre materialer, men vi arbejder på det. "

"Der er fire eller fem eksperimentelle artikler, temmelig nyere, der også viser en ændring af chiralitet under vækst, "Bets sagde." Faktisk, fordi det er en probabilistisk proces, det er i det væsentlige uundgåeligt. Men indtil nu er det aldrig blevet overvejet i den teoretiske undersøgelse af vækst. "