(Phys.org) —Veel goede ideeën komen voort uit gesprekken onder het genot van een kopje koffie. Maar het is zeldzaam en prachtig wanneer een openbaring uit de beker zelf komt.

Rice University theoretisch fysicus Boris Yakobson, handelend op plotselinge inspiratie tijdens een bijeenkomst vorig jaar in Arlington, va., haalde een paar extra koffiekopjes van een server en een schaar en ging verder met het uitwerken van een idee dat verstrekkende gevolgen zou kunnen hebben voor de nanotechnologie-industrie.

Zoals weerspiegeld in een nieuwe paper in Natuurcommunicatie , Yakobson en zijn Rice-collega's, postdoctoraal onderzoeker Vasilii Artyukhov en onderzoekswetenschapper Evgeni Penev, met het zaad was gekomen (of misschien boon) van een eenvoudige formule die beschrijft waarom nanobuisjes chiraliteit hebben. Chiraliteit is de eigenschap die de hoek beschrijft van de zeshoeken van het koolstofatoom die de wanden van een nanobuis vormen.

De onderzoekers zeiden dat de kennis uiteindelijk scheikundigen in staat zou kunnen stellen om de chiraliteit van hele batches nanobuisjes te controleren terwijl de buizen worden gekweekt.

Koolstofnanobuisjes zijn vellen grafeen, de één-atoom dikke vorm van koolstof, in een cilinder gerold. Bepaalde types, zogenaamde fauteuil-nanobuizen - zo genoemd vanwege de manier waarop hun randen op één lijn liggen - hebben een uitstekende geleidbaarheid en kunnen de sleutel zijn tot verliesvrije stroomtransmissiekabels. Draai de zeshoeken 30 graden en de nanobuisjes worden het zogenaamde zigzag-type, een halfgeleidende variant die van grote waarde is voor elektronische toepassingen.

zigzag, fauteuils en alle nanobuisjes daartussen worden bepaald door hun chiraliteit. Hun elektronische, chemische en optische eigenschappen veranderen met elke graad tussen nul en 30 dat de zeshoeken worden gekanteld.

Nanobuisjes groeien in batches van vele soorten, en niemand heeft nog een efficiënte manier gevonden om buizen van een enkel type in industriële hoeveelheden te verkrijgen. De beste hoop voor nieuwe technologieën die nanobuisjes gebruiken, is om erachter te komen hoe batches met één chiraliteit kunnen worden gekweekt.

Dat, het blijkt, kan een kwestie zijn van het balanceren van twee tegengestelde krachten:de energie van het contact tussen katalysator en nanobuis en de snelheid waarmee atomen zich hechten als ze de nanobuis dwingen om van onder naar boven te groeien.

Yakobson en zijn collega's waren het meest geïntrigeerd door het feit dat, over de afgelopen tien jaar, De groei van nanobuisjes in verschillende laboratoria heeft een sterke voorkeur onthuld voor bijna-fauteuilversies met minimale chiraliteit. als gegroeid, deze nanobuisjes kantelen aan de basis terwijl ze nog aan de metaalkatalysator zijn bevestigd. "Het zijn scheve torens van koolstof, "Jakobson zei, al zou dat Pisa jaloers hebben gemaakt omdat nanobuisjes duizenden keren hoger kunnen zijn dan ze breed zijn. Plus, ze draaien terwijl ze groeien in plaats van stil te staan.

"Vanuit een theoretisch standpunt, het was echt een puzzel, ' zei Penev. 'Waarom worden ze chiraal, en wat kan dit soort chiraliteit beheersen?"

Yakobson en zijn Rice-groep zijn gespecialiseerd in theoretische analyse van energie op atomair niveau. Toen de hoogleraar, met kop en schaar in de hand, snijd een inkeping in de container, het begon allemaal logisch te worden.

"Toen we heel zorgvuldig keken naar de thermodynamica en kinetiek van het atomaire grensvlak tussen de katalysator en het lichaam van het groeiende koolstofrooster, we ontdekten dat er een evenwicht is tussen de energie van het contact en de snelheid waarmee koolstofatomen kunnen worden ingebracht, " hij zei.

De onderzoekers beschreven energie en snelheid als "antagonistische trends, " aangezien de energetische voorkeur neigt naar een nanobuis met platte bodem die de katalysator omhelst en resulteert in ofwel fauteuil of zigzag "achirale" buizen, terwijl de behoefte aan snelheid leidt tot chirale buizen.

De beste balans werd bereikt toen de nanobuisjes een enkele knik vertoonden aan de basis, als een tand aan een zaag, en liet de benodigde hoeveelheid ruimte over voor atomen om zich te hechten en de buis te dwingen omhoog te spiraalen.

"Het cruciale detail is dat koolstof gemakkelijker kan worden ingebracht op het grensvlak tussen de katalysator en het lichaam van de nanobuis als er een losse plek is, " zei Artyukhov. "Deze losse plek is altijd te wijten aan de knik in de fundering, bij wijze van spreken."

Bijgevolg, tijdens het berekenen van de groeiverdeling van nanobuisjes in een batch, de onderzoekers ontdekten dat de meest voorkomende nanobuisjes die zijn die heel dicht bij het fauteuiltype liggen, vooral wanneer de groei plaatsvindt bij lagere temperaturen en met een vaste katalysator. Hogere temperaturen en een vloeibare katalysator hebben de neiging om een ​​breder scala aan chirale nanobuisjes te produceren. Beide resultaten kunnen worden verklaard door de formule, volgens het papier.

"In feite, een van de meest bevredigende dingen aan dit werk is dat al deze complexiteit kan worden verpakt in een heel eenvoudige wiskundige vergelijking, "Zei Yakobson. "Dat had ik nooit verwacht."