(Phys.org) -- Alla giusta temperatura, con il catalizzatore giusto, non c'è motivo per un perfetto nanotubo di carbonio a parete singola 50, 000 volte più sottile di un capello umano non può crescere lungo un metro.

Questo calcolo è un risultato di uno studio condotto dai collaboratori della Rice, Il Politecnico di Hong Kong e le università Tsinghua che hanno esplorato il meccanismo di autoguarigione che potrebbe rendere possibile una crescita così straordinaria. Questo è importante per gli scienziati che considerano i nanotubi di carbonio di alta qualità fondamentali per i materiali avanzati e, se possono essere intrecciati in lunghi cavi, distribuzione di energia sulla rete del futuro.

Il rapporto pubblicato online da Lettere di revisione fisica è del fisico teorico di Rice Boris Yakobson; Feng Ding, un assistente professore a contratto alla Rice e un assistente professore al Politecnico di Hong Kong; l'autore principale Qinghong Yuan, un ricercatore post-dottorato presso il Politecnico di Hong Kong; e Zhiping Xu, un professore di ingegneria meccanica a Tsinghua ed ex ricercatore post-dottorato alla Rice.

Hanno determinato che il ferro è il migliore e il più rapido tra i catalizzatori comuni per la guarigione dei difetti topologici - anelli con troppi o troppo pochi atomi - che inevitabilmente si gonfiano durante la formazione dei nanotubi e influiscono sulle loro preziose proprietà elettroniche e fisiche. La giusta combinazione di fattori, principalmente la temperatura, porta alla guarigione cinetica in cui gli atomi di carbonio smarriti vengono reindirizzati per formare gli esagoni energeticamente favorevoli che compongono i nanotubi e il loro cugino piatto, grafene. Il team ha utilizzato la teoria del funzionale della densità per analizzare le energie necessarie per la trasformazione.

“È sorprendente che la guarigione di tutti i potenziali difetti – pentagoni, ettagoni e le loro coppie:durante la crescita dei nanotubi di carbonio è abbastanza facile, "disse Ding, che è stato ricercatore nel laboratorio Rice di Yakobson dal 2005 al 2009. “Solo meno di un -10 miliardesimo può sopravvivere a una condizione ottimale di crescita. Il tasso di guarigione del difetto è sorprendente. Se prendiamo gli esagoni come buoni e gli altri come cattivi, ci sarebbe solo un cattivo sulla Terra.”

Le energie associate a ciascun atomo di carbonio determinano come trova il suo posto nella forma simile a un filo di pollo di un nanotubo, disse Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann Chair in Engineering e professore di scienza dei materiali, ingegneria meccanica e chimica. Ma c'è stato un lungo dibattito tra gli scienziati su ciò che realmente accade all'interfaccia tra il catalizzatore e un tubo in crescita.

“Ci sono state due ipotesi, "Ha detto Yakobson. “Una popolare era che i difetti si creano abbastanza frequentemente e penetrano nella parete del tubo, ma poi si ricoprono. C'è una sorta di processo di riparazione. Un'altra ipotesi è che fondamentalmente non si formino affatto, che suona abbastanza irragionevole.

“Questo era solo parlare; non c'era un'analisi quantitativa. Ed è qui che questo lavoro dà un contributo importante. Valuta quantitativamente, sulla base di calcoli all'avanguardia, in particolare quanto velocemente può avvenire questa ricottura, a seconda della posizione, ” ha detto.

Un nanotubo cresce in una fornace quando vengono aggiunti atomi di carbonio, uno per uno, al catalizzatore. È come costruire prima la cima di un grattacielo e aggiungere mattoni alla base. Ma poiché quei mattoni vengono aggiunti a un ritmo furioso - milioni in pochi minuti - possono verificarsi errori, alterando la struttura.

In teoria, se un anello ha cinque o sette atomi invece di sei, distorcerebbe il modo in cui si orientano tutti gli atomi successivi nella catena; un pentagono isolato trasformerebbe il nanotubo in un cono, e un ettagono lo trasformerebbe in un corno, ha detto Yakobson.

Ma i calcoli hanno anche mostrato che tali difetti isolati non possono esistere in una parete di nanotubi; apparirebbero sempre in 5/7 coppie. Ciò rende più semplice una soluzione rapida:se a un atomo può essere richiesto di spostarsi dall'ettagono al pentagono, entrambi gli anelli escono da sei.

I ricercatori hanno scoperto che la transizione avviene meglio quando i nanotubi di carbonio vengono coltivati ​​a temperature intorno ai 930 kelvin (1, 214 gradi Fahrenheit). Questo è l'optimum per la guarigione con un catalizzatore di ferro, che i ricercatori hanno scoperto ha la barriera energetica e l'energia di reazione più basse tra i tre catalizzatori comuni considerati, compreso nichel e cobalto.

Una volta che un 5/7 si forma all'interfaccia tra il catalizzatore e il nanotubo in crescita, la guarigione deve avvenire molto rapidamente. Gli ulteriori nuovi atomi spingono il difetto nella parete del nanotubo, meno è probabile che guarisca, hanno determinato; più di quattro atomi di distanza dal catalizzatore, il difetto è bloccato.

Lo stretto controllo delle condizioni in cui crescono i nanotubi può aiutarli a autocorreggersi al volo. Gli errori nel posizionamento degli atomi vengono rilevati e risolti in una frazione di millisecondo, prima che diventino parte della parete del nanotubo.

I ricercatori hanno anche determinato attraverso simulazioni che più lenta è la crescita, più lungo potrebbe essere un nanotubo perfetto. Un nanotubo che cresce di circa 1 micrometro al secondo a 700 kelvin potrebbe potenzialmente raggiungere il traguardo del metro, hanno trovato.