Wanneer is een cirkel minder stabiel dan een gekartelde lus? Blijkbaar als je het hebt over koolstofnanobuisjes.

Theoretische onderzoekers van Rice University hebben ontdekt dat nanobuisjes met gescheiden secties van "zigzag"- en "fauteuil"-facetten die groeien uit een vaste katalysator, veel energetisch stabieler zijn dan een cirkelvormige opstelling.

Onder de juiste omstandigheden, zij meldden, het grensvlak tussen een groeiende nanobuis en zijn katalysator kan zijn laagst bekende energietoestand bereiken via de tweezijdige "Janus"-configuratie, met een halve cirkel van zigzaglijnen tegenover zes fauteuils.

De termen verwijzen naar de vorm van de rand van de nanobuis:het uiteinde van een zigzag nanobuis ziet eruit als een zaagtand, terwijl een fauteuil is als een rij stoelen met armleuningen. Het zijn de basisrandconfiguraties van de tweedimensionale honingraat van koolstofatomen die bekend staat als grafeen (evenals andere 2D-materialen) en bepalen veel van de eigenschappen van de materialen, vooral elektrische geleidbaarheid.

Het Brown School of Engineering-team van materiaaltheoreticus Boris Yakobson, onderzoeker en hoofdauteur Ksenia Bets en assistent-onderzoeksprofessor Evgeni Penev rapporteerden hun resultaten in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

De theorie is een voortzetting van de ontdekking van het team vorig jaar dat Janus-interfaces zich waarschijnlijk zullen vormen op een katalysator van wolfraam en kobalt, leidend tot een enkele chiraliteit, gebeld (12, 6), dat andere laboratoria hadden gemeld dat ze in 2014 waren gegroeid.

Het Rice-team laat nu zien dat dergelijke structuren niet uniek zijn voor een specifieke katalysator, maar zijn een algemeen kenmerk van een aantal starre katalysatoren. Dat komt omdat de atomen die zich aan de rand van de nanobuis hechten, altijd hun laagste energietoestand zoeken. en toevallig vinden in de Janus-configuratie die ze AZ noemden.

"Mensen hebben in studies aangenomen dat de geometrie van de rand een cirkel is, "Zei Penev. "Dat is intuïtief - het is normaal om aan te nemen dat de kortste rand de beste is. Maar we ontdekten dat voor chirale buizen de enigszins langwerpige Janus-rand ervoor zorgt dat deze veel beter in contact komt met vaste katalysatoren. De energie voor deze rand kan vrij laag zijn."

In de cirkelconfiguratie, de vlakke fauteuilbodems rusten op de ondergrond, zorgen voor het maximale aantal contacten tussen de katalysator en de nanobuis, die rechtop groeit. (Janusranden dwingen ze om onder een hoek te groeien.)

Koolstof nanobuisjes - lang, opgerolde buizen van grafeen - zijn moeilijk genoeg om te zien met een elektronenmicroscoop. Er is nog geen manier om de basis van een nanobuisje te observeren terwijl het van onder naar boven groeit in een oven voor chemische dampafzetting. Maar theoretische berekeningen van de energie op atoomniveau die tussen de katalysator en de nanobuis aan het grensvlak gaat, kunnen onderzoekers veel vertellen over hoe ze groeien.

Dat is een pad dat het Rice-lab al meer dan tien jaar volgt, trekken aan de draad die onthult hoe minieme aanpassingen in de groei van nanobuisjes de kinetiek kunnen veranderen, en uiteindelijk hoe nanobuisjes in toepassingen kunnen worden gebruikt.

"Over het algemeen, het inbrengen van nieuwe atomen aan de rand van de nanobuis vereist het doorbreken van de interface tussen de nanobuis en het substraat, "Zei Bets. "Als de interface krap is, het zou te veel energie kosten. Dat is de reden waarom de groeitheorie van de schroefdislocatie, voorgesteld door professor Yakobson in 2009 de groeisnelheid kon verbinden met de aanwezigheid van knikken, de plaatsen aan de rand van de nanobuis die het nauwe contact tussen nanobuis en substraat van koolstof verstoren.

"Nieuwsgierig, hoewel de Janus-randconfiguratie een zeer nauw contact met het substraat mogelijk maakt, behoudt het nog steeds een enkele knik die continue groei van nanobuisjes mogelijk zou maken, zoals we vorig jaar hebben aangetoond voor de kobaltwolfraamkatalysator, ' zei Bets.

Bets voerde uitgebreide computersimulaties uit om nanobuisjes te modelleren die groeien op drie starre katalysatoren die bewijs toonden van Janus-groei en nog een "vloeibare" katalysator, Wolfraamcarbide, dat deed het niet. "Het oppervlak van die katalysator is erg mobiel, dus de atomen kunnen veel bewegen, ' zei Penev. 'Voor die ene, we hebben geen duidelijke scheiding waargenomen."

Yakobson vergeleek Janus-nanobuisjes met de Wulff-vorm van kristallen. "Het is enigszins verrassend dat onze analyse een geherstructureerd, gefacetteerde rand is energetisch favoriet voor chirale buizen, " zei hij. "Aannemen dat de laagste energierand een cirkel van minimale lengte moet zijn, is hetzelfde als aannemen dat een kristalvorm een ​​bol met minimaal oppervlak moet zijn, maar we weten heel goed dat 3D-vormen facetten hebben en 2D-vormen polygonen zijn , zoals belichaamd door de Wulff-constructie.

"Grafeen heeft noodzakelijkerwijs meerdere kanten, ' maar een nanobuiscilinder heeft één rand, de energieanalyse anders maken, " zei hij. "Dit roept fundamenteel interessante en praktisch belangrijke vragen op over de relevante structuur van de randen van nanobuisjes."

De Rice-onderzoekers hopen dat hun ontdekking hen op weg zal helpen naar die antwoorden. "De directe implicatie van deze bevinding is een paradigmaverschuiving in ons begrip van groeimechanismen, Yakobson zei. "Dat kan belangrijk worden in hoe men praktisch de katalysator voor efficiënte groei ontwerpt, vooral van het type gecontroleerde nanobuissymmetrie, voor elektronisch en optisch nut."