Nieuw onderzoek aan de Rice University zou wetenschappers uiteindelijk de weg kunnen wijzen om batches nanobuisjes van een enkel type te maken.

Een paper in het online tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven onthult een elegante formule van fysicus Boris Yakobson en zijn collega's van Rice University die de energie definieert van een stuk grafeen dat onder elke hoek is gesneden.

Yakobson, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde, zei dat dit alleen al belangrijk is omdat de manier waarop grafeen met energie omgaat, afhangt van de hoek - of chiraliteit - van de rand, en het oplossen van dat proces voor oneven hoeken was buitengewoon uitdagend. Maar, Hij schreef, het onderzoek heeft "diepgaande implicaties in de context van de groei van nanobuisjes, het aanbieden van rationele manieren om hun chirale symmetrie te beheersen, een verleidelijke maar tot nu toe ongrijpbare doel."

Grafeen is de één atoom dikke vorm van koolstof die enorm interessant is geworden vanwege zijn potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de elektronica, optiek, detectie- en mechanische apparaten. Het is de focus van intensief onderzoek geweest om grip te krijgen op hoe dit kippengaasvormige vel koolstofatomen elektriciteit transporteert.

Een vel grafeen met zigzag- of fauteuilranden wordt mooi vierkant. Zigzags zijn van metaal, fauteuils zijn halfgeleiders, en hun atomen marcheren in rang, gelijkmatig verdeeld, langs de randen. Een volledige rotatie van 30 graden scheidt de een van de ander.

Maar als de zeshoeken waaruit een vel bestaat minder dan 30 graden verschoven zijn, atomen langs een rechte rand zijn ongelijk verdeeld. "Dat maakt de analyse van de energie erg ingewikkeld, omdat het een grote onregelmatige structuur is. Het is als lawaai, " zei Yakobson. "We hebben een manier gevonden om de energieën in deze willekeurige hoeken te berekenen, " hij zei.

Yakobson en zijn co-auteurs, Yuanyu Liu, een afgestudeerde student in zijn lab, en Alex Dobrinsky, een voormalig afgestudeerde student en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Brown University, vroeg zich al snel af hoe deze bevindingen van toepassing waren op koolstofnanobuisjes.

"Er zijn net zoveel manieren om grafeen in een nanobuisje te rollen als er manieren zijn om een ​​krant te rollen, "Zei Yakobson. "De tekst kan in de omtrek worden uitgelijnd of recht langs de as lopen of onder een hoek spiraalsgewijs."

Terwijl het rollen van een krant het lezen moeilijk maakt, het rollen van koolstof in een nanobuis maakt het relatief eenvoudig om het type te "lezen" - of het nu een fauteuil of zigzag is of een variatie daartussenin. Wat onmogelijk is, is bepalen hoe de buis zal rollen. Het proces heeft de neiging om willekeurig te zijn, waardoor onderzoekers de taak hebben om de nanobuisjes die ze nodig hebben van de bulk te scheiden door middel van ultracentrifugatie of andere dure procedures.

Yakobson zei dat het een echte game-changer zou zijn als ze konden, bijvoorbeeld, kweek batches pure fauteuil nanobuisjes voor gebruik in projecten zoals fauteuil quantum nanodraad (AQW). Zoals wijlen Rice's Nobelprijswinnaar Richard Smalley zich voorstelde, AQW zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het elektriciteitsnet van het land door 10 keer de hoeveelheid elektriciteit te vervoeren als koper met slechts een zesde van het gewicht.

Het werk van Yakobson kan daartoe de weg openen. De chiraliteit van een nanobuisje wordt bepaald door de combinatie van energieën die een rol spelen bij de kiemvorming. "Als het net uit de 'oersoep' van koolstof komt, de rand van de buis is in wezen hetzelfde als de rand van grafeen, " hij zei.

"Aanvankelijk, het is maar een pet. Er is nog geen stam. Je bakt deze doppen op een koekenpan, en ze borrelen, " zei hij. "De kans dat verschillende bellen tevoorschijn komen, wordt gecontroleerd door energie rond de rand."

De chiraliteit van de ontluikende nanobuis wordt ingesteld wanneer atomen in de dop zelf een zesde vijfhoek assembleren (nodig om de zeshoeken tot een koepel te vormen). "Daar kunnen we Ik denk voor het eerst, een kwantitatief oordeel vellen over hoe verschillende chirale structuren ontstaan, ' zei Yakobson.

Het kan de moeite waard zijn de inspanningen van scheikundigen om de energie tussen de katalysator en de koolstofstructuur nader te bekijken. "Dit belooft wat, "zei hij. "Als je deze voorkeur kunt aanpassen, als je de energie van de katalysatorkant kunt veranderen, je verandert de voorkeur van de chiraliteit. En dan kun je deze zelfassemblerende koolstoffen vertellen, 'Dans alsjeblieft op deze manier; dans niet op die manier.'"

Yakobson hoopt dat het nieuwe werk het al lang bestaande probleem van chiraliteit van nanobuisjes helpt oplossen. "Al bijna twee decennia lang we hadden geen goed begrip van dit proces, "zei hij. "Eigenlijk, we hadden geen idee. Ik zeg niet dat dit een volledige oplossing is, maar dit is de eerste keer dat we een kwantitatieve benadering zien, een orde in de schijnbare chaos. Het voelt gewoon bevredigend.

"De bottom line is simpel. We hebben de grafeenrand uitgezocht en deze overbrugd naar de heilige graal van nanobuisjes, dat is chiraliteitscontrole."