(Phys.org) -- Geplette nanobuisjes kunnen rijp zijn met nieuwe mogelijkheden voor wetenschappers, Dat blijkt uit een nieuwe studie van Rice University.

Onderzoekers van het Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology van Rice hebben een reeks feiten en cijfers bedacht over koolstofnanobuisjes die tijdens het groeiproces lijken in te storten; ze ontdekten dat deze unieke configuraties eigenschappen hebben van zowel nanobuisjes als grafeen nanoribbons.

Wat de onderzoekers 'closed-edge grafeen-nanoribbons' noemen, zou het onderzoek naar hun bruikbaarheid in elektronica- en materiaaltoepassingen op gang kunnen brengen.

Het baanbrekende werk onder leiding van Robert Hauge, een voorname faculteitsgenoot in chemie aan Rice, wordt gedetailleerd beschreven in een artikel dat deze maand online verscheen in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

“Een ingestorte nanobuis lijkt in het midden veel op grafeen, maar precies zoals buckyballs (koolstof-60 moleculen, een Nobelprijswinnende ontdekking bij Rice) aan de zijkanten, ’ zei Hauge. “Dat betekent dat je de chemie van grafeen in het midden hebt en de chemie van buckyballs aan de randen. En u kunt de twee elektronisch scheiden door functionele groepen aan de zijkanten te plaatsen om de bovenste en onderste lagen te isoleren.

"Als je randchemie toepast die de zijkanten in isolatoren verandert, dan communiceert de bovenkant niet elektronisch met de onderkant, behalve door een van der Waals-type of aangeslagen toestand interactie, ' zei hij. "Dat is waar de nieuwe fysica en misschien elektronische eigenschappen vandaan zullen komen."

De bevinding kan leiden tot op bestelling gegroeide, twee- of vierlaagse grafeen nanoribbons met perfecte randen, een product dat moeilijk te verkrijgen is door nanobuisjes uit te pakken of op een andere manier in plakjes te snijden. “De grafeenwereld zoekt naar manieren om goed gedefinieerde linten te maken, ’ zei Hauge. "Ze moeten grafeen altijd versnijden en eindigen met slecht gedefinieerde kanten die hun elektronische eigenschappen beïnvloeden. Deze hebben het voordeel van een veel beter gedefinieerde rand.”

Hauge's bewustzijn van eerder werk aan het instorten van nanobuisjes bracht hem ertoe het fenomeen te bestuderen. "Ik was geïnteresseerd in het kweken van nanobuisjes met een grotere diameter, gebaseerd op de deeltjesgrootte van de katalysator, al een tijdje, ' zei hij. “We dachten dat ze konden instorten, dus gingen we op zoek naar het bewijs.”

Het team ontdekte dat vouwen, kronkels en knikken in nanobuisjes gezien door een transmissie-elektronenmicroscoop en gemeten door een atoomkrachtmicroscoop waren goede indicatoren van ingeklapte nanobuisjes. Deze nanobuisjes waren in het midden ongeveer 0,7 nanometer hoog en iets meer bij wat de onderzoekers de 'zeer gespannen bollen' aan de randen noemden. Maar het vinden van afgeplatte buizen gaf niet aan hoe ze op die manier kwamen.

Hauge benaderde Rice-theoretisch fysicus Boris Yakobson om te zien hoe de intrinsieke energie van atomen in grafeen - een van zijn specialiteiten - zo'n ineenstorting mogelijk zou maken. Yakobson zette promovendus en co-auteur Ksenia Bets op de zaak.

“Oorspronkelijk, we dachten dat dit een klein en eenvoudig probleem zou zijn, en het bleek eenvoudig - maar niet zo klein, ', aldus Bets. Met behulp van moleculaire dynamische simulatie, ze paste gegevens van de experimentatoren in atomistische modellen van enkelwandige nanobuisjes. “En dan, dezelfde parameters gebruiken, Ik produceerde resultaten voor dubbele muren, en ze passen ook precies bij de experimentele data.”

De gedurende zes maanden verzamelde resultaten bevestigden de waarschijnlijkheid dat bij groeitemperatuur - 750 graden Celsius - flexibele nanobuisjes die in de gasbries in een oven fladderen, inderdaad kunnen worden veroorzaakt om in te storten. Als twee atomen aan weerszijden van de binnenwand dicht genoeg bij elkaar komen, ze kunnen een van der Walls-cascade starten die de nanobuis plat maakt, zei weddenschappen.

“In het begin, het kost energie om de nanobuis in te drukken, maar je bereikt een punt waarop de twee partijen elkaar beginnen te voelen, en ze beginnen de energie van aantrekking te krijgen, ’ zei Hauge. “Het Van der Waals-korps neemt het over, en de buizen worden dan liever ingeklapt.”

Hij zei dat de energie die nodig is om een ​​nanobuisje in te klappen, afneemt naarmate de diameter van de buis groter wordt. “Het is als een rietje, ' zei hij. “Voor een enkelwandige nanobuis, hoe groter het wordt, hoe gemakkelijker het is om te vervormen.”

Belangrijker waren berekeningen die de specifieke diameters bepaalden waarbij nanobuisjes vatbaar worden voor instorting. Er is een punt, Hauge zei, waar een nanobuis alle kanten mee op kan, dus de dispersie van nanobuisjes naar nanolinten in een batch van een bepaalde diameter zou ongeveer gelijk moeten zijn. Naarmate de diameter groter wordt, de balans verschuift in het voordeel van de linten.

"Het is een play-off tussen de spanningsenergie aan de randen versus de Van der Walls-interactie in het centrum, ' zei hij. specifiek, ze ontdekten dat vrijstaande enkelwandige buizen vatbaar worden voor instorting wanneer ze een diameter hebben van ten minste 2,6 nanometer - wat de onderzoekers het "energie-equivalentiepunt" noemden. een grafeen oppervlak, hij zei, because of additional atomic interaction with the substrate.

Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, ' zei hij. “That’s the tipping point. Anything above, energiek, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, ' zei hij. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, ' zei hij. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”