De theoretische simulatie van een internationaal onderzoeksteam van de synthese van enkelwandige koolstofnanobuizen heeft belangrijke details onthuld van de mechanismen die in het spel zijn. Dit zou kunnen leiden tot betere manieren om de productie van koolstofnanobuisjes te beheersen.

De synthese van koolstofnanobuisjes (CNT's), met het oog op hun productie op industriële schaal, trekt veel wetenschappelijke belangstelling. Hun unieke chemische eigenschappen beloven een breed scala aan baanbrekende toepassingen in akoestische, biomedisch, elektronisch, milieu, optische en structurele technologieën.

Onder leiding van professor Stephan Irle van het Institute of Transformative Bio-Molecules aan de Nagoya University, een team van onderzoekers in Japan, de Verenigde Staten en China hebben computersimulaties uitgevoerd die vergelijkbare moleculaire mechanismen laten zien die aan het werk zijn bij de groei van koolstofnanobuisjes en de verbranding van koolwaterstoffen om roet te vormen. Deze ontdekking daagt een eerder aanvaarde opvatting uit dat metaalcarbiden nodig zijn om nanobuisjes te maken, via een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd.

De eigen modellen van het team suggereren dat alternatieve chemische processen zoals waterstofbstractie/toevoeging van acetyleen – een mechanisme dat vaak wordt waargenomen bij verbrandingsprocessen – ook kunnen worden gebruikt om koolstofnanobuisjes te laten groeien. "Deze bevinding is zeer intrigerend in die zin dat deze processen lang werden beschouwd als verlopen door totaal verschillende mechanismen, ’ zegt professor Irle.

In 2014, het team rapporteerde de eerste groeisimulaties van enkelwandige koolstofnanobuisjessynthese, met behulp van acetyleen als grondstof. Hun simulatiemodel gebruikte acetyleen vanwege de relatief lage temperaturen die nodig zijn om chemische dampafzetting te katalyseren, en omdat zelfs kleine hoeveelheden reacties aanzienlijk versnellen. Volgens de onderzoekers is hun modellering suggereert dat de potentiële rol van acetyleen nader onderzoek behoeft, evenals het momenteel geaccepteerde model voor de productie van koolstofnanobuisjes.

Sinds de publicatie van hun resultaten, de onderzoekers zijn begonnen met het modelleren van de synthese van grafeen - een één atoomdikke laag pure koolstof - met behulp van nikkel en koper met een methaankatalysator. Ze hopen het nieuwe simulatiemodel - gebaseerd op een directe versie van een kinetische Monte Carlo-simulatie waarbij reactiekanalen automatisch worden voorspeld naarmate het groeiproces vordert - in 2015 publiekelijk bekend te maken.

Koolstofnanobuisjes zijn nanocilinders die bestaan ​​uit een atoomdikke laag koolstof (of grafeen). Ze worden momenteel gebruikt als additieven om verschillende structurele materialen te versterken, en kan ook worden gebruikt voor energieopslag en in de volgende generatie nano-elektronica en biomedische apparaten. CNT's worden vaak gesynthetiseerd via chemische dampafzetting, waarbij koolwaterstofdamp wordt afgezet op metaalkatalysatoren onder een stroom van niet-reactief gas bij hoge temperaturen. Echter, kwaliteitscontrole is een uitdaging, aangezien deze methode meestal resulteert in de productie van CNT's met variabele diameters en verschillende zijwandstructuren.