Una nuova ricerca presso la Rice University potrebbe in definitiva mostrare agli scienziati il ​​modo di realizzare lotti di nanotubi di un unico tipo.

Un articolo sul giornale online Lettere di revisione fisica svela un'elegante formula del fisico della Rice University Boris Yakobson e dei suoi colleghi che definisce l'energia di un pezzo di grafene tagliato con qualsiasi angolazione.

Yakobson, professore di ingegneria meccanica e di scienza dei materiali e di chimica, detto questo da solo è significativo perché il modo in cui il grafene gestisce l'energia dipende dall'angolo - o dalla chiralità - del suo bordo, e risolvere quel processo per gli angoli dispari è stato estremamente impegnativo. Ma, scrisse, la ricerca ha "profonde implicazioni nel contesto della crescita dei nanotubi, offrendo modi razionali per controllare la loro simmetria chirale, un obiettivo allettante ma finora sfuggente."

Il grafene è la forma di carbonio spessa un solo atomo che è diventata di enorme interesse per il suo potenziale di rivoluzionare l'elettronica, ottica, sensori e dispositivi meccanici. Capire come questo foglio di atomi di carbonio a forma di filo di pollo trasporta l'elettricità è stato al centro di un intenso studio.

Un foglio di grafene con i bordi a zigzag oa poltrona si squadra bene. Gli zigzag sono metallici, le poltrone sono semiconduttori, e i loro atomi marciano in fila, equidistanti, lungo i bordi. Una rotazione completa di 30 gradi separa l'uno dall'altro.

Ma se gli esagoni che compongono un foglio sono sfalsati di meno di 30 gradi, gli atomi lungo un regolo sono spaziati in modo non uniforme. "Ciò rende l'analisi dell'energia molto complicata, perché è una grande struttura irregolare. è come il rumore, " ha detto Yakobson. "Abbiamo trovato un modo per calcolare le energie in questi angoli arbitrari, " Egli ha detto.

Yakobson e i suoi coautori, Yuanyue Liu, uno studente laureato nel suo laboratorio, e Alex Dobrinsky, un ex studente laureato e ora ricercatore post-dottorato alla Brown University, presto si chiese come queste scoperte si applicassero ai nanotubi di carbonio.

"Ci sono tanti modi per far rotolare il grafene in un nanotubo quanti sono i modi per arrotolare un giornale, " Yakobson ha detto. "Il testo può essere allineato circonferenzialmente o correre dritto lungo l'asse o a spirale in un angolo".

Mentre arrotolare un giornale lo rende difficile da leggere, rotolare il carbonio in un nanotubo rende relativamente facile "leggere" il suo tipo, che sia poltrona o zigzag o qualche variazione nel mezzo. Ciò che è impossibile è controllare come si sposterà il tubo. Il processo tende ad essere volente o nolente, lasciando ai ricercatori il compito di separare i nanotubi di cui hanno bisogno dalla massa attraverso l'ultracentrifugazione o altre procedure costose.

Yakobson ha detto che sarebbe un vero punto di svolta se potessero, ad esempio, coltivare lotti di nanotubi da poltrona puri da utilizzare in progetti come il nanowire quantistico da poltrona (AQW). Come immaginato dal compianto premio Nobel della Rice, Richard Smalley, AQW potrebbe rivoluzionare la rete elettrica della nazione trasportando 10 volte la quantità di elettricità del rame a solo un sesto del peso.

Il lavoro di Yakobson potrebbe aprire una strada per farlo. La chiralità di un nanotubo è determinata dalla combinazione di energie in gioco nella sua nucleazione. "Quando emerge dalla 'zuppa primordiale' del carbonio, il bordo del tubo è essenzialmente lo stesso del bordo del grafene, " Egli ha detto.

"All'inizio, è solo un berretto. Non c'è ancora lo stelo. Stai friggendo questi cappucci in una padella, e stanno bollendo, " ha detto. "La probabilità che emergano bolle diverse è controllata dall'energia attorno al bordo".

La chiralità del nanotubo nascente viene impostata quando gli atomi nel cappuccio autoassemblano un sesto pentagono (necessario per modellare gli esagoni in una cupola). "Ecco dove possiamo, Penso per la prima volta, formulare un giudizio quantitativo su come emergono diverse strutture chirali, "Ha detto Yakobson.

Potrebbero valere gli sforzi dei chimici per esaminare più da vicino l'energia tra il catalizzatore e la struttura del carbonio. "Questo ha qualche promessa, " ha detto. "Se puoi modificare questa preferenza, se puoi cambiare l'energia dal lato del catalizzatore, si cambia la preferenza della chiralità. E poi puoi dire a questi carboni autoassemblanti, 'Per favore balla in questo modo; non ballare in quel modo.'"

Yakobson spera che il nuovo lavoro aiuti a risolvere l'annoso problema della chiralità dei nanotubi. "Per quasi due decenni, non avevamo una buona comprensione di questo processo, " ha detto. "In realtà, non avevamo la più pallida idea. Non sto dicendo che questa sia una soluzione completa, ma questa è la prima volta che vediamo un approccio quantitativo, un ordine nell'apparente caos. È semplicemente soddisfacente.

"La linea di fondo è semplice. Abbiamo individuato il bordo del grafene e l'abbiamo collegato al Santo Graal dei nanotubi, che è il controllo della chiralità."