(Phys.org) —Koolstof – de chemische basis van al het bekende leven en een element dat al in de 8e eeuw voor Christus bekend is – bestaat in verschillende vormen, of allotropen , met opmerkelijk diverse eigenschappen. (Diamant, bijvoorbeeld, is transparant en extreem hard tetraëdrisch rooster dat elektriciteit slecht geleidt, maar een uitstekende thermische geleider is. Grafiet, anderzijds – een matige elektrische geleider – is een zachte, zwart, schilferige vaste stof gevormd uit platen van platte zeshoekige roosters bekend als grafeen .) Onder de allotropen van koolstof, koolstof nanobuisjes zijn cilindrische op grafeen gebaseerde nanostructuren met eigenschappen die centraal staan ​​in vele gebieden van materiaalwetenschap en -technologie. Vooral, enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWNT's) zijn koolstofnanobuisjes waarvan de eigenschappen veranderen met hun chiraliteit - dat is, de rangschikking van de koolstofatomen, die is gebaseerd op de buisdiameter en wikkelhoek zoals gespecificeerd door wat bekend staat als hun ( N, m ) waarde. Deze varianten gedragen zich ofwel als elektrische geleiders of als halfgeleiders met verschillende bandgaps (het energiebereik in een vaste stof waar geen elektronentoestanden kunnen bestaan), waardoor ze uiterst wenselijk zijn voor toepassingen in de nano-elektronica. Hoewel dit kenmerk afhangt van de SWVT's die allemaal in chirale vorm zijn of de andere, het is historisch erg moeilijk geweest om selectief één vorm alleen te kweken, waarbij de hoogste selectiviteit van 55% wordt bereikt met zorgvuldig gekozen deeltjes als katalysatoren in het groeiproces van de synthese van chemische dampafzetting. Onlangs, echter, wetenschappers aan de Universiteit van Peking, Peking heeft op wolfraam gebaseerde nanokristallen van bimetaallegeringen gebruikt als katalysatoren om rechtstreeks enkelvoudige chiraliteit te produceren (dat wil zeggen, ofwel links- of rechtshandig) SWNT's met een zuiverheid van meer dan 92%. Door dat te doen, zeggen de onderzoekers, hun resultaten vormen de basis voor volledige controle over de groei van SWNT-chiraliteit, en daarmee verdere ontwikkeling van SWNT-applicaties.

Prof. Yan Li besprak het artikel dat zij en haar co-auteurs publiceerden in Natuur met Phys.org . "De eigenschappen van SWNT's worden volledig bepaald door hun structuur, of chiraliteit – en in veel toepassingen, het is vereist dat materialen uniforme eigenschappen hebben, " vertelt Li Phys.org . Als voorbeeld, ze zegt dat bij het gebruik van SWNT's om veldeffecttransistors (FET's) te bouwen, het is altijd gehoopt dat alle SWNT's dezelfde structuur hebben, daardoor dezelfde prestatie vertonen. "Echter, "Li voegt eraan toe, "Chiraliteit-gecontroleerde groei is al twintig jaar een grote uitdaging in het veld - maar we hebben een nieuwe strategie ontwikkeld om het doel te realiseren."

Li merkt op dat er twee factoren belangrijk zijn voor het verlagen van de legeringstemperatuur:wolfraam- en kobaltatomen zijn al goed gemengd in de voorloper, en de deeltjes hebben afmetingen op nanoschaal. Overeenkomstig, hun strategie is gebaseerd op een nieuwe familie van katalysatoren - nanokatalysatoren op basis van wolfraamlegering - voor de groei van koolstofnanobuisjes. "Deze katalysatoren behouden hun gekristalliseerde structuur onder de zeer hoge temperaturen die nodig zijn voor de groei van koolstofnanobuisjes, en vertonen ook een zeer unieke structuur die dient als een koolstofnanobuissjabloon." De op wolfraam gebaseerde legering vormt zich bij extreem hoge temperatuur - normaal gesproken ruim boven 2000 ° C - waarvoor speciale faciliteiten nodig zijn, omdat het uiterst moeilijk is om deze procedure uit te voeren met standaard laboratoriumapparatuur - en bovendien Li wijst erop, het is moeilijk om de grootte te controleren, structuur en morfologie van de resulterende legering onder dergelijke omstandigheden. "We gebruikten een moleculaire cluster† om nanodeeltjes van wolfraam-kobalt (W-Co) -legeringen te verkrijgen bij de gematigde temperatuur van ~ 1000 ° C, "Li zegt, "wat de productie van SWNT veel gemakkelijker maakte."

De sleutel tot het oplossen van deze twee decennia oude, door chiraliteit gecontroleerde SWNT-groeiuitdaging was:eenvoudig gezegd, een nieuw idee. "Hoewel er veel moeite is gedaan om chiraliteit-selectieve SWNT-groei te onderzoeken, er was geen efficiënte aanpak ontwikkeld. Dit komt mede doordat we onvoldoende inzicht hebben in het SWNT-groeimechanisme, " legt ze uit. "Inderdaad, het is best moeilijk om voldoende informatie te verzamelen ter plaatse tijdens het groeiproces van nanobuisjes – maar het is juist deze informatie die ons kan helpen het mechanisme te begrijpen. Gevoed door mijn meer dan tien jaar ervaring in SWNT-groei, Ik had een nieuw idee over het gebruik van katalysatoren om de structuur van SWNT's te sturen."

Terwijl onderzoekers het gebruik van katalysatoren om de structuur van SWNT's te modelleren krachtig hebben onderzocht - zoals blijkt uit de vele artikelen die op dit gebied zijn gepubliceerd - is succes ongrijpbaar gebleken. "Het is ons gelukt, "Li voegt eraan toe, "omdat we twee significant verschillende ideeën hebben - namelijk, we erkenden dat katalysatoren met hoge smeltpunten nodig zijn om de katalysator als structuursjabloon te gebruiken; we hebben het juiste recept gevonden om katalysatoren met een hoog smeltpunt te verkrijgen; we realiseerden ons dat de unieke structuur van de katalysator essentieel is om een ​​hoge selectiviteit en specificiteit te bereiken. Bovendien, als anorganische chemici weten we al lang over moleculaire clusters, hun kenmerken en hoe ze te bereiden - dus het idee om moleculaire clusters te gebruiken als de voorloper voor nanodeeltjes van W-Co-legeringen kwam natuurlijk voor ons, wat resulteerde in het ontwerpen van de nieuwe route voor het bereiden van nanodeeltjes van W-Co-legeringen."

In hun krant de wetenschappers zeggen dat sinds het gebruik van nanokristallen met een hoog smeltpunt en geoptimaliseerde structuren als katalysatoren de productie van nanobuisjes met een enkele chiraliteit in een overvloed van> 92%, ze verwachten dat hun resultaten de weg zullen banen voor totale chiraliteitscontrole bij SWNT-groei, waardoor de ontwikkeling van SWNT-toepassingen wordt bevorderd. "Op basis van ons begrip van het SWNT-groeimechanisme en de experimentele gegevens die we al hebben, "Li zegt, "we zijn ervan overtuigd dat onze strategie om SWNT's met de gewenste structuur en chiraliteit te laten groeien met behulp van katalysatoren met een ontworpen structuur en hoge stabiliteit een standaardbenadering kan worden." Bovendien, wolfraam, kobalt, ijzer, en nikkel zijn er in overvloed, goedkope metalen, en hun koolstofbron is ethanol, zodat de productiekosten laag kunnen zijn - een duidelijk voordeel voor toekomstige commercialisering.

Een van de meest opwindende potentiële toepassingen is in de elektronica. Li wijst erop dat de 2009 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) op koolstof gebaseerde nano-elektronica - inclusief koolstofnanobuizen en grafeen - heeft geselecteerd als veelbelovende technologieën die gericht zijn op commerciële demonstratie in de komende 10-15 jaar, en dus om extra middelen en gedetailleerde wegenkaarten te ontvangen. "Voor de grootschalige toepassing van SWNT's in nano-elektronica, "Li wijst erop, "SWNT's met identieke structuur zijn gewenst. Onze methode om SWNT's met identieke structuur te kweken is daarom een ​​zeer belangrijk onderdeel van de ontwikkeling van op koolstof nanobuisjes gebaseerde elektronica."

Een ander voorbeeld aanhalend, Li merkt op dat prof. Lianmao Peng en zijn team hebben aangetoond: ¹ dat SWNT's kunnen worden gebruikt om efficiënte fotospanningsvermenigvuldiging te bereiken in op SWNT gebaseerde zonnecellen. Ze merkt op dat structuuridentieke SWNT's ook in dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt, dus als de nanobuisjes worden gebruikt, zonnecellen met nauwkeurig afgestelde fotospanning kunnen worden verkregen. "Er zijn zeker veel meer potentiële toepassingen, " voegt Li toe. Nu hebben we SWNT-samples met identieke structuur, we kunnen interessantere eigenschappen en mogelijke toepassingen verkennen die we ons nooit eerder hadden kunnen voorstellen."

Li vermeldt ook hun gebruik van Vienna Ab-initio Simulation Package voor zelfconsistente simulaties van functionele theorie van dichtheid. "Simulatie biedt inzichten die niet direct beschikbaar zijn via experimentele gegevens alleen. Het kan theoretici ook helpen het mechanisme van verschillende processen te begrijpen."

Vooruit gaan, Li zegt, de wetenschappers zijn gefocust op drie belangrijke stappen:

• Meer katalysatoren ontwerpen om SWNT's met een breder scala aan chiraliteiten te produceren

• Verdere optimalisatie van het proces om de selectiviteit van chiraliteit te verbeteren, en dus zuiverheid

• Onderzoek naar bulksynthese

Buiten hun eigen vakgebied, Li vertelt Phys.org , er zijn andere onderzoeksgebieden die baat kunnen hebben bij hun studie. "In legeringsmetallurgie, ons idee om een ​​speciale voorloper te gebruiken om de legeringstemperatuur drastisch te verlagen, kan worden aangenomen omdat dit het energieverbruik aanzienlijk kan verminderen - en de lagere procestemperatuur kan de vereisten voor materialen en controlesystemen voor productieapparatuur aanzienlijk verlichten. In aanvulling, het gebruik van legeringskatalysatoren met een unieke structuur om moleculen te produceren met een vooraf ontworpen structuur kan op grote schaal worden gebruikt in chemische synthese. Eindelijk, "Li concludeert, "onze methoden voor het karakteriseren van SWNT-chiraliteitssamenstelling kunnen worden gebruikt in fundamenteel onderzoek naar koolstofnanobuisjes."

© 2014 Fys.org