(PhysOrg.com) -- Het onderzoekslaboratorium van de luchtmacht in Dayton, Ohio, heeft experimenteel een theorie bevestigd door Rice University Professor Boris Yakobson die een paar interessante eigenschappen voorspelde over de groei van nanobuisjes:dat de chiraliteit van een nanobuis de snelheid van zijn groei regelt, en dat fauteuil nanobuisjes het snelst zouden moeten groeien.

Het werk is een zekere stap in de richting van het definiëren van alle mysteries die inherent zijn aan wat Yakobson de "DNA-code van nanobuisjes, " de parameters die hun chiraliteit bepalen -- of groeihoek -- en dus hun elektrische, optische en mechanische eigenschappen. Het ontwikkelen van het vermogen om batches nanobuisjes met specifieke kenmerken te laten groeien, is een cruciaal doel van onderzoek op nanoschaal.

Het nieuwe artikel van Benji Maruyama, senior onderzoeker van de luchtmacht; voormalig luchtmachtcollega Rahul Rao, nu bij het Honda Research Institute in Ohio; Yakobson en hun co-auteurs verschenen deze week in de online versie van het tijdschrift Natuurmaterialen .

Het is een interessante ontknoping in een sage die begon met een paper uit 2009 van Yakobson en zijn medewerkers. dat papier, die de dislocatietheorie van de theoretisch fysicus van chiraliteit-gecontroleerde groei presenteerde, beschreef hoe nanobuisjes tevoorschijn komen alsof enkele draden van atomen zichzelf weven in de nu bekende kippengaasachtige buizen. Het leverde ook een beetje controverse op over wat precies de resultaten betekenden.

"Boris kreeg er wat warmte over, "Zei Maruyama. "Het experimentele werk daar gaf aan dat zijn theorie waar zou kunnen zijn, maar ze konden het niet bevestigen. Het mooie van ons werk is dat het vrij eenduidig ​​is."

Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en hoogleraar scheikunde, nam het allemaal ter harte. "De kritiek sloeg nergens op; het was eigenlijk de beste reclame en motivatie voor verder werk, "zei hij. "In feite, (nanobuispionier Sumio) Iijima merkte al vroeg op dat 'helicity de groei kan bevorderen'. We hebben het omgezet in een verifieerbare vergelijking."

Experimentele bevestiging van een theorie is nooit definitief maar altijd bevredigend, hij gaf toe, en het luchtmachtlab was uniek uitgerust om het verband te bewijzen tussen de snelheid van de groei van een nanobuisje en zijn chirale hoek.

De chiraliteit van een enkelwandige nanobuis wordt bepaald door de manier waarop de koolstofatomen worden "gerold". Yakobson heeft het beschreven als vergelijkbaar met het oprollen van een krant; soms staat het type in een rij, en soms ook niet. Die uitlijning bepaalt de elektrische eigenschappen van de nanobuisjes. Metalen fauteuil nanobuizen, zo genoemd naar de vorm van hun niet-afgetopte randen, zijn bijzonder wenselijk omdat elektronen zonder weerstand van punt tot punt passeren, terwijl halfgeleidende nanobuisjes nuttig zijn voor elektronica, onder andere toepassingen.

Rao ontwikkelde in het laboratorium van Maruyama een techniek om de groeisnelheid van individuele nanobuisjes te meten. "Het is een indrukwekkende opstelling, "Zei Yakobson. "Ze kunnen individuele buizen in een zeer lage dichtheid laten groeien en hun handtekeningen - hun chiraliteit - identificeren en tegelijkertijd meten hoe snel ze groeien."

De techniek omvatte het monteren van katalysator-nanodeeltjes op microscopisch kleine siliciumpilaren en het afvuren van streng gecontroleerde lasers op hen. De hitte van de laser zorgde ervoor dat de nanobuisjes groeiden door middel van een standaardtechniek die chemische dampafzetting wordt genoemd. en op hetzelfde moment, de onderzoekers analyseerden de groei van nanobuisjes via Raman-spectroscopie.

Van de spectra, ze konden zien hoe snel een nanobuisje groeide en op welk punt de groei stopte. Daaropvolgende elektronenmicroscoopbeelden bevestigden dat de spectra afkomstig waren van individuele enkelwandige nanobuisjes, terwijl chirale hoeken werden bepaald door Raman-spectra na de groei en diameters van nanobuisjes te vergelijken met de Kataura-plot, die chiraliteit in kaart brengt op basis van bandafstand en diameter.

Ze merkten in het artikel op dat de resultaten een basis vormen voor verder onderzoek naar het kweken van specifieke soorten nanobuisjes. "Nu we weten wat de groeisnelheid is voor een bepaalde chiraliteit nanobuis, men zou kunnen overwegen om te proberen groei van die specifieke chiraliteit te bereiken door de groeiomstandigheden dienovereenkomstig te beïnvloeden, " zei Rao. "Dus, in principe, we hebben nu een andere 'knop' om aan te draaien."

"Dit werk bevindt zich in een zeer vroege ontwikkelingsfase, en het draait allemaal om post-nucleatie, "Zei Yakobson. "Nucleatie bepaalt wat ik beschouw als de genetische code - erg primitief vergeleken met biologie - die de chiraliteit en de groeisnelheid van een nanobuis bepaalt." Hij zei dat het op een dag mogelijk zou kunnen zijn om de vorm van een nanobuis te dicteren als het begint op te borrelen uit een katalysator, "maar het zal veel vindingrijkheid vergen."

Yakobson onthulde vorig jaar een formule die de nucleatiewaarschijnlijkheid door de randenergieën voor grafeen definieerde, wat in feite een gesneden en afgeplatte nanobuis is. Maar de eerdere en gerelateerde dislocatietheorie is van toepassing op de volgende groei, en indien verder bevestigd, kan dit zijn meesterwerk blijken te zijn.

"De dislocatietheorie van groei is elegant en eenvoudig, " zei Rao. "Het is nog te vroeg om te zeggen dat dit het enige groeimechanisme is, maar Boris zou in de eerste plaats veel eer moeten krijgen voor het voorstellen van dit gedurfde idee."