Ny teori viser, at den ejendommelige Janus-grænseflade er en fælles mekanisme i kulstofnanorørs vækst

Hvornår er en cirkel mindre stabil end en takket løkke? Tilsyneladende når du taler om kulstof nanorør.

Rice Universitys teoretiske forskere har opdaget, at nanorør med adskilte sektioner af "zigzag" og "lænestol"-facetter, der vokser fra en solid katalysator, er langt mere energimæssigt stabile, end et cirkulært arrangement ville være.

Under de rette omstændigheder, de rapporterede, grænsefladen mellem et voksende nanorør og dets katalysator kan nå sin lavest kendte energitilstand via den tosidede "Janus"-konfiguration, med en halvcirkel af zigzag over for seks lænestole.

Udtrykkene refererer til formen af ​​nanorørets kant:Et zigzag nanorørs ende ligner en savtand, mens en lænestol er som en sæderække med armlæn. De er de grundlæggende kantkonfigurationer af den todimensionelle honeycomb af carbonatomer kendt som grafen (såvel som andre 2-D materialer) og bestemmer mange af materialernes egenskaber, især elektrisk ledningsevne.

Brown School of Engineering-teamet af materialeteoretiker Boris Yakobson, forsker og hovedforfatter Ksenia Bets og assisterende forskningsprofessor Evgeni Penev rapporterede deres resultater i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

Teorien er en fortsættelse af holdets opdagelse sidste år, at Janus-grænseflader sandsynligvis vil dannes på en katalysator af wolfram og kobolt, fører til en enkelt chiralitet, kaldte (12, 6), at andre laboratorier havde rapporteret vækst i 2014.

Rice-teamet viser nu, at sådanne strukturer ikke er unikke for en specifik katalysator, men er en generel karakteristik af en række stive katalysatorer. Det er fordi atomerne, der binder sig til nanorørets kant, altid søger deres laveste energitilstande, og tilfældigvis fandt det i den Janus-konfiguration, de kaldte AZ.

"Folk har i undersøgelser antaget, at kantens geometri er en cirkel, " sagde Penev. "Det er intuitivt - det er normalt at antage, at den korteste kant er den bedste. Men vi fandt for chirale rør, at den lidt aflange Janus-kant tillader den at være i meget bedre kontakt med faste katalysatorer. Energien til denne kant kan være ret lav."

I cirkelkonfigurationen, de flade lænestolsbunde hviler på underlaget, at give det maksimale antal kontakter mellem katalysatoren og nanorøret, som vokser lige op. (Janus kanter tvinger dem til at vokse i en vinkel.)

Carbon nanorør - lange, sammenrullede rør af grafen - er svære nok at se med et elektronmikroskop. Endnu er der ingen måde at observere bunden af ​​et nanorør, når det vokser fra bunden og op i en kemisk dampaflejringsovn. Men teoretiske beregninger af energien på atomniveau, der passerer mellem katalysatoren og nanorøret ved grænsefladen, kan fortælle forskerne meget om, hvordan de vokser.

Det er en vej, som Rice-laboratoriet har fulgt i mere end et årti, trækker i tråden, der afslører, hvordan små justeringer i nanorørvækst kan ændre kinetikken, og i sidste ende hvordan nanorør kan bruges i applikationer.

"Generelt, indsættelsen af ​​nye atomer ved nanorørets kant kræver, at grænsefladen mellem nanorøret og substratet brydes, " sagde bets. "Hvis grænsefladen er stram, det ville koste for meget energi. Det er grunden til, at skrueforskydningsvækstteorien foreslået af professor Yakobson i 2009 var i stand til at forbinde vækstraten med tilstedeværelsen af ​​knæk, de steder på nanorørets kant, der forstyrrer den tætte kulstofnanorør-substratkontakt.

"Mærkeligt nok, Selvom Janus kantkonfiguration tillader meget tæt kontakt med underlaget, bevarer den stadig en enkelt knæk, der ville tillade kontinuerlig vækst af nanorør, som vi demonstrerede sidste år for koboltwolframkatalysatoren, " sagde Bets.

Bets kørte omfattende computersimuleringer for at modellere nanorør, der voksede på tre stive katalysatorer, der viste tegn på Janus-vækst og en mere "flydende" katalysator, wolframcarbid, det gjorde ikke. "Overfladen af ​​den katalysator er meget mobil, så atomerne kan bevæge sig meget, " sagde Penev. "For den, vi observerede ikke en klar adskillelse."

Yakobson sammenlignede Janus nanorør med Wulff-formen af ​​krystaller. "Det er noget overraskende, at vores analyse tyder på en omstrukturering, facetteret kant er energetisk favoriseret til chirale rør, " sagde han. "At antage, at den laveste energikant skal være en cirkel med minimal længde, er som at antage, at en krystalform skal være en kugle med minimal overflade, men vi ved godt, at 3-D-former har facetter, og 2-D-former er polygoner , som indbegrebet af Wulff-konstruktionen.

"Grafen har nødvendigvis flere sider, ' men en nanorørcylinder har én kant, gør energianalysen anderledes, " sagde han. "Dette rejser fundamentalt interessante og praktisk vigtige spørgsmål om den relevante struktur af nanorørets kanter."

Ris-forskerne håber, at deres opdagelse vil fremme dem på vejen mod disse svar. "Den umiddelbare implikation af dette fund er et paradigmeskift i vores forståelse af vækstmekanismer, " sagde Yakobson. "Det kan blive vigtigt i, hvordan man i praksis designer katalysatoren for effektiv vækst, især af typen kontrolleret nanorørsymmetri, til elektronisk og optisk brug."