Onderzoekers van het Centrum voor Multidimensionale Koolstofmaterialen, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), hebben een theoretische oplossing gepresenteerd voor een langdurig mysterie van de groei van koolstofnanobuisjes (CNT). Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , deze studie verklaart waarom nanodeeltjes gemaakt met een legering van metalen helpen om langere CNT's te synthetiseren in vergelijking met conventionele monometallische katalysatoren.

CNT's zijn buisvormige nanostructuren gemaakt van koolstofatomen met opwindende potentiële eigenschappen die onderzoekers op zoek hebben gehouden naar nieuwe ontwikkelingen. Een van de meest gebruikelijke methoden om CNT's te produceren, omvat katalysator-nanodeeltjes, die de functie hebben om de toevoeging van koolstofatomen van voorlopermoleculen aan de wanden van de cilinders te vergemakkelijken. Het is algemeen bekend in het veld dat legeringskatalysatoren, zoals Ni-Y, Fe-Mo, Cu-Ni, en Co Mo, beter presteren dan andere enkelvoudige metaalkatalysatoren, maar de reden is onduidelijk.

IBS-onderzoekers voerden een systematische moleculaire dynamica-simulatie uit om de rol van legeringskatalysatoren in CNT-groei te onderzoeken. "In een moleculaire dynamica-simulatie, de beweging van elk atoom is duidelijk te zien en, daarom, de variatie van de vorm en structuur van het katalysatordeeltje tijdens de groei van koolstof nanobuisjes kan nauwkeurig worden geregistreerd. Dit stelt ons in staat verder te gaan dan de capaciteit van de beste experimentele methoden, " legt Feng Ding uit, een groepsleider van het Centrum en corresponderende auteur van de studie.

Door de moleculaire dynamische simulaties, de auteurs hebben ontdekt dat de twee metalen van de legering ruimtelijk gescheiden zijn aan de rand van de buizen:CNT's hebben de neiging om de meer actieve metaalatomen naar het open uiteinde van de cilinders te trekken (groeifront), waar koolstofatomen tijdens de groei in de CNT-wand worden ingebracht, terwijl de minder actieve metaalatomen naar boven worden geduwd. Meer simulaties tonen aan dat dit een algemeen fenomeen is en kan worden toegepast op vele soorten legeringskatalysatoren.

IBS-onderzoekers hebben ook aangetoond dat legeringskatalysatoren het winnen van monometallische nanodeeltjes omdat de actieve metaalatomen nabij de rand van de CNT de koolstofatomen gemakkelijker vangen dan de minder actieve. Dit zal leiden tot een grotere koolstofconcentratie op de vicinale plaats van het CNT-groeifront en een snelle toevoeging van koolstofatomen, die bijdragen aan de snelle groei van de CNT.

Omdat de koolstofatomen continu worden opgenomen in de groeiende CNT's, de koolstofprecursoren hopen zich niet op rond de nanodeeltjes van de legering. Dit voorkomt de vorming van een kap gemaakt van koolstofatomen die het hele nanodeeltje overspoelt.

"Deze theoretische studie behandelt een langetermijnpuzzel van de rol van de legeringskatalysatoren bij de groei van koolstofnanobuisjes. Het onthult het voordeel van het gebruik van legeringskatalysatoren bij de groei van koolstofnanobuisjes, en de contactgeïnduceerde fasescheiding van de legeringskatalysator kan worden beschouwd als een algemene regel om het katalysatorontwerp te leiden voor controleerbare koolstofnanobuisjesgroei, " zegt Lu Qiu, de eerste auteur van de studie.