(Phys.org) -- Bij de juiste temperatuur, met de juiste katalysator er is geen reden voor een perfecte enkelwandige koolstofnanobuis 50, 000 keer dunner dan een mensenhaar kan geen meter lang worden.

Die berekening is een resultaat van een onderzoek door medewerkers van Rice, Universiteiten van Hong Kong Polytechnic en Tsinghua die het zelfgenezende mechanisme onderzochten dat zo'n buitengewone groei mogelijk zou kunnen maken. Dat is belangrijk voor wetenschappers die hoogwaardige koolstofnanobuisjes als cruciaal beschouwen voor geavanceerde materialen en, als ze tot lange kabels kunnen worden geweven, stroomverdeling over het net van de toekomst.

Het online gepubliceerde rapport door Fysieke beoordelingsbrieven is door Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson; Feng Ding, een adjunct-assistent-professor bij Rice en een assistent-professor aan de Hong Kong Polytechnic; hoofdauteur Qinghong Yuan, een postdoctoraal onderzoeker aan de Hong Kong Polytechnic; en Zhiping Xu, een professor in technische mechanica aan Tsinghua en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Rice.

Ze stelden vast dat ijzer de beste en snelste is onder veelvoorkomende katalysatoren bij het genezen van topologische defecten - ringen met te veel of te weinig atomen - die onvermijdelijk opborrelen tijdens de vorming van nanobuisjes en hun waardevolle elektronische en fysieke eigenschappen aantasten. De juiste combinatie van factoren, voornamelijk temperatuur, leidt tot kinetische genezing waarbij verdwaalde koolstofatomen worden omgeleid om de energetisch gunstige zeshoeken te vormen waaruit nanobuisjes en hun platte neef bestaan, grafeen. Het team gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie om de energieën te analyseren die nodig zijn voor de transformatie.

“Het is verrassend dat de genezing van alle mogelijke defecten – vijfhoeken, zevenhoeken en hun paren - tijdens de groei van koolstofnanobuisjes is vrij eenvoudig, " zei Ding, die van 2005 tot 2009 onderzoekswetenschapper was in het Rice-lab van Yakobson. “Slechts minder dan een tot tien miljardste kan een optimale groeiconditie overleven. De snelheid van genezing van defecten is verbazingwekkend. Als we zeshoeken als goeden beschouwen en anderen als slechteriken, er zou maar één slechterik op aarde zijn.”

De energieën die bij elk koolstofatoom horen, bepalen hoe het zijn plaats vindt in de kippengaasachtige vorm van een nanobuis, zei Yakobson, Rice Karl F. Hasselmann Chair in Engineering en hoogleraar materiaalkunde en werktuigbouwkunde en scheikunde. Maar er is een lange discussie gaande onder wetenschappers over wat er eigenlijk gebeurt op het grensvlak tussen de katalysator en een groeiende buis.

“Er zijn twee hypothesen geweest, ' zei Yakobson. “Een populaire was dat er vrij vaak defecten ontstaan ​​en in de wand van de buis terechtkomen, maar later gloeien ze. Er is een soort fixatieproces. Een andere hypothese is dat ze zich in principe helemaal niet vormen, wat nogal onredelijk klinkt.

“Dit was allemaal maar praten; er was geen kwantitatieve analyse. En daar levert dit werk een belangrijke bijdrage aan. Het evalueert kwantitatief, gebaseerd op de modernste berekeningen, specifiek hoe snel dit gloeien kan plaatsvinden, afhankelijk van de locatie, ' zei hij.

Een nanobuisje groeit in een oven terwijl koolstofatomen worden toegevoegd, een voor een, bij de katalysator. Het is alsof je eerst de top van een wolkenkrabber bouwt en er onderaan stenen toevoegt. Maar omdat die stenen in een razend tempo worden toegevoegd – miljoenen in een kwestie van minuten – kunnen er fouten gebeuren, het veranderen van de structuur.

In theorie, als een ring vijf of zeven atomen heeft in plaats van zes, het zou de manier waarop alle volgende atomen in de keten zich oriënteren scheeftrekken; een geïsoleerde vijfhoek zou de nanobuis in een kegel veranderen, en een zevenhoek zou het in een hoorn veranderen, zei Yakobson.

Maar berekeningen toonden ook aan dat dergelijke geïsoleerde defecten niet kunnen bestaan ​​in een nanobuiswand; ze zouden altijd in 5/7 paren verschijnen. Dat maakt een snelle oplossing eenvoudiger:als een atoom kan worden gevraagd om van de zevenhoek naar de vijfhoek te gaan, beide ringen komen op zessen.

De onderzoekers ontdekten dat de overgang het beste plaatsvindt wanneer koolstofnanobuisjes worden gekweekt bij temperaturen rond de 930 kelvin (1, 214 graden Fahrenheit). Dat is het optimum voor genezing met een ijzerkatalysator, waarvan de onderzoekers vonden dat het de laagste energiebarrière en reactie-energie heeft van de drie gemeenschappelijke katalysatoren die worden overwogen, inclusief nikkel en kobalt.

Zodra zich een 5/7 vormt op het grensvlak tussen de katalysator en de groeiende nanobuis, genezing moet heel snel gebeuren. De verdere nieuwe atomen duwen het defect in de nanobuiswand, hoe kleiner de kans dat het wordt genezen, zij bepaalden; meer dan vier atomen verwijderd van de katalysator, het defect is opgesloten.

Een strikte controle van de omstandigheden waaronder nanobuisjes groeien, kan hen helpen om zichzelf on-the-fly te corrigeren. Fouten bij het plaatsen van atomen worden in een fractie van een milliseconde opgevangen en verholpen, voordat ze deel gaan uitmaken van de nanobuiswand.

De onderzoekers bepaalden ook door middel van simulaties dat hoe langzamer de groei, hoe langer een perfecte nanobuis zou kunnen zijn. Een nanobuisje dat ongeveer 1 micrometer per seconde groeit bij 700 kelvin zou mogelijk de metermijlpaal kunnen bereiken. ze vonden.