Het kweken van een partij koolstofnanobuisjes die allemaal hetzelfde zijn, is misschien niet zo eenvoudig als onderzoekers hadden gehoopt, volgens wetenschappers van Rice University.

Rijstmateriaaltheoreticus Boris Yakobson en zijn team verwierpen een theorie dat bij het kweken van nanobuisjes in een oven, een katalysator met een specifieke atomaire rangschikking en symmetrie zou op betrouwbare wijze koolstofnanobuisjes met dezelfde chiraliteit maken, de hoek van zijn koolstofatoomrooster.

In plaats daarvan, ze ontdekten dat de katalysator in kwestie nanobuisjes start met verschillende chirale hoeken, maar ze bijna allemaal omleidt naar een snelgroeiende variant die bekend staat als (12, 6). De oorzaak lijkt een Janus-achtige interface te zijn die is samengesteld uit fauteuil- en zigzagsegmenten - en uiteindelijk verandert hoe nanobuisjes groeien.

Omdat chiraliteit de elektrische eigenschappen van een nanobuisje bepaalt, het vermogen om chiraal-specifieke batches te kweken is een heilige graal van nanotechnologie. Het kan leiden tot draden die, in tegenstelling tot koper of aluminium, energie zonder verlies doorgeven. Nanobuisjes groeien over het algemeen in willekeurige chiraliteiten.

The Rice theoretische studie gedetailleerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters kan een stap zijn in de richting van katalysatoren die homogene batches nanobuisjes produceren, zei Yakobson.

Yakobson en collega's Evgeni Penev en Ksenia Bets en afgestudeerde student Nitant Gupta pakten een raadsel aan dat werd gepresenteerd door andere experimentatoren tijdens een workshop in 2013 die een legering van kobalt en wolfraam gebruikten om enkelwandige nanobuisjes te katalyseren. In de batch van dat lab, meer dan 90 procent van de nanobuisjes had een chiraliteit van (12, 6).

De cijfers (12, 6) zijn coördinaten die verwijzen naar de chirale vector van een nanobuisje. Koolstofnanobuisjes zijn opgerolde vellen tweedimensionaal grafeen. Grafeen is zeer geleidend, maar wanneer het in een buis wordt gerold, zijn geleidbaarheid hangt af van de hoek - of chiraliteit - van het hexagonale rooster.

Nanobuisjes van fauteuils - zo genoemd vanwege de fauteuilachtige vorm van hun randen - hebben identieke chirale indices, graag (9, 9), en zijn zeer gewenst vanwege hun perfecte geleidbaarheid. Ze zijn anders dan zigzag nanobuisjes, zoals (16, 0), die halfgeleiders kunnen zijn. Door een grafeenvel slechts 30 graden te draaien, verandert de nanobuis die het vormt van fauteuil in zigzag of omgekeerd.

Penev zei dat de experimentatoren hun werk uitlegden "op een manier die vanaf het begin raadselachtig was. Ze zeiden dat deze katalysator een specifieke symmetrie heeft die overeenkomt met de (12, 6) rand, dus deze nanobuisjes kiemen en groeien bij voorkeur. Dit was de opkomst van het zogenaamde symmetrie-matching-idee van selectieve groei van koolstofnanobuisjes.

"We hebben gelezen en verteerd dat, maar we konden er nog steeds niet omheen, " hij zei.

Kort na de conferentie van 2013 het Yakobson-lab zijn eigen theorie over de groei van nanobuisjes publiceerde, waaruit bleek dat het evenwicht tussen twee tegengestelde krachten - de energie van het contact tussen katalysator en nanobuis en de snelheid waarmee atomen zich hechten aan de groeiende buis op het grensvlak - verantwoordelijk zijn voor chiraliteit.

Vijf jaar later, dat blijkt net zo waar te zijn in hun nieuwe krant, weliswaar met een twist. De Rice-berekeningen laten zien dat de legering Co7W6 de vorming van de Janus-achtige interface bevordert die zorgt voor de nodige knik aan de rand en koolstofatomen laat hechten aan de basis van de nanobuis. Maar de katalysator dwingt de nanobuis ook om defecten op te nemen die de initiële chiraliteit halverwege de stroom veranderen.

"We hebben twee dingen ontdekt, " zei Yakobson. "Een daarvan is dat de koolstofatoomtypes aan de basis van de nanobuis zich scheiden in fauteuil- en zigzagsegmenten. De tweede is de neiging tot de vorming van defecten die de chiraliteit aandrijven, of helix, verandering. Dat maakt (12, 6) een soort tijdelijke aantrekker, tenminste tijdens korte experimenten. Als ze voor altijd zouden kunnen groeien, (12, 6) nanobuisjes zouden uiteindelijk overstappen op fauteuils."

Het ongewone groeipatroon zou veel eerder zijn gediagnosticeerd als er geen eeuwenoude typfout was die wat hardnekkig speurwerk vereiste.

"Het probleem zat in een standaard online database die de kristalstructuur van deze kobalt-wolfraamlegering geeft, " zei Bets, co-lead auteur van het papier met Penev. "Eén invoer was fout. Dat bracht de structuur zo in de war dat we het niet konden gebruiken in onze berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie."

Toen ze de fout hadden gevonden, Bets en co-auteur Gupta gingen terug naar de Duitse krant uit 1938 die als eerste de structuur van Co7W6 correct detailleerde. Zelfs met dat in de hand, de berekeningen van het team gebruikten elk beetje rekenkracht dat ze konden vinden om de energetische verbindingen tussen elk atoom in de katalysator en koolstofgrondstof te simuleren.

"We kwamen erachter dat als we de berekeningen in serie hadden uitgevoerd in plaats van parallel, ze zouden het equivalent van minstens 2 hebben genomen, 000 jaar computertijd, ' zei Bets.

"Dit artikel is in veel opzichten opmerkelijk:qua timing, de hoeveelheid details en de verrassingen die we vonden, "Zei Penev. "We hebben nog nooit zo'n project gehad. We weten nog niet hoe dit van toepassing zal zijn op andere materialen, maar we werken eraan."

"Er zijn vier of vijf experimentele papers, vrij recente, die ook een verandering van chiraliteit vertonen tijdens de groei, "Zei Bets. "In feite, omdat het een probabilistisch proces is, het is in wezen onvermijdelijk. Maar tot nu toe is er nooit rekening mee gehouden in het theoretische onderzoek naar groei."