(Phys.org) -- I nanotubi schiacciati potrebbero essere maturi con nuove possibilità per gli scienziati, secondo un nuovo studio della Rice University.

I ricercatori del Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology di Rice hanno escogitato una serie di fatti e cifre sui nanotubi di carbonio che sembrano collassare durante il processo di crescita; hanno scoperto che queste configurazioni uniche hanno proprietà sia dei nanotubi che dei nanonastri di grafene.

Quelli che i ricercatori chiamano "nanonastri di grafene a bordo chiuso" potrebbero dare il via alla ricerca sulla loro utilità nelle applicazioni di elettronica e materiali.

Il lavoro pionieristico condotto da Robert Hauge, un illustre professore di chimica alla Rice, è dettagliato in un articolo apparso online questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

“Un nanotubo collassato assomiglia molto al grafene nel mezzo, ma esattamente come i buckyball (molecole di carbonio-60, una scoperta premio Nobel alla Rice) sui lati, "Hauge ha detto. “Ciò significa che hai la chimica del grafene nel mezzo e la chimica dei buckyball ai bordi. E puoi separare i due elettronicamente mettendo gruppi funzionali sui lati per isolare gli strati superiore e inferiore.

“Se fai una chimica dei bordi che trasforma i lati in isolanti, quindi la parte superiore non comunica elettronicamente con la parte inferiore, tranne che attraverso qualche interazione di tipo van der Waals o stato eccitato, ” ha detto. "Ecco da dove verranno la nuova fisica e forse le proprietà elettroniche".

La scoperta può portare a crescite su ordinazione, nanonastri di grafene a due o quattro strati con bordi perfetti, un prodotto difficile da ottenere decomprimendo o affettando in altro modo i nanotubi. “Il mondo del grafene è alla ricerca di modi per creare nastri ben definiti, "Hauge ha detto. “Devono sempre tagliare il grafene e finire con lati mal definiti che influiscono sulle loro proprietà elettroniche. Questi hanno il vantaggio di un bordo molto meglio definito.”

La consapevolezza di Hauge dei precedenti lavori sul collasso dei nanotubi lo ha portato a studiare il fenomeno. “Mi interessava coltivare nanotubi di diametro maggiore, in base alla dimensione delle particelle del catalizzatore, da un po 'di tempo, ” ha detto. “Pensavamo che potessero crollare, così abbiamo iniziato a cercare le prove”.

Il team ha scoperto che le pieghe, torsioni e attorcigliamenti nei nanotubi visti attraverso un microscopio elettronico a trasmissione e misurati attraverso un microscopio a forza atomica erano buoni indicatori di nanotubi collassati. Questi nanotubi erano alti circa 0,7 nanometri lungo il centro e un po' di più in corrispondenza di quelli che i ricercatori chiamavano "lampadine altamente tese" ai bordi. Ma trovare tubi appiattiti non indicava come fossero arrivati ​​in quel modo.

Hauge ha contattato il fisico teorico della Rice Boris Yakobson per vedere come l'energia intrinseca degli atomi nel grafene – una delle sue specialità – avrebbe permesso un simile collasso. Yakobson ha affidato il caso alla studentessa laureata e co-autrice Ksenia Bets.

“In origine, abbiamo pensato che questo sarebbe stato un piccolo e semplice problema, e si è rivelato semplice, ma non così piccolo, "Le scommesse ha detto. Utilizzando la simulazione dinamica molecolare, ha adattato i dati degli sperimentali ai modelli atomistici di nanotubi a parete singola. “E poi, utilizzando gli stessi parametri, Ho prodotto risultati per doppie pareti, e si adattano perfettamente anche ai dati sperimentali”.

I risultati raccolti nell'arco di sei mesi hanno confermato la probabilità che alla temperatura di crescita – 750 gradi Celsius – i nanotubi flessibili che fluttuano nella brezza del gas all'interno di una fornace possano effettivamente essere indotti a collassare. Se due atomi su entrambi i lati della parete interna si avvicinano abbastanza l'uno all'altro, possono avviare una cascata di van der Walls che appiattisce il nanotubo, Scommesse detto.

“In un primo momento, ci vuole energia per premere il nanotubo, ma raggiungi un punto in cui le due parti iniziano a sentirsi l'una con l'altra, e iniziano a guadagnare l'energia dell'attrazione, "Hauge ha detto. “La forza di van der Waals prende il sopravvento, e i tubi allora preferiscono essere collassati.”

Ha detto che l'energia necessaria per far collassare un nanotubo diminuisce all'aumentare del diametro del tubo. “È come una cannuccia, ” ha detto. “Per un nanotubo a parete singola, più grande diventa, più facile è distorcere.”

Più significativi sono stati i calcoli che hanno determinato i diametri specifici ai quali i nanotubi tendono a collassare. C'è un punto, Hauge ha detto, in cui un nanotubo potrebbe andare in entrambi i modi, quindi la dispersione dei nanotubi in nanonastri in un lotto di un particolare diametro dovrebbe essere circa uguale. All'aumentare del diametro, l'equilibrio si sposta a favore dei nastri.

"È uno spareggio tra l'energia di deformazione ai bordi contro l'interazione di van der Walls al centro, ” ha detto. Nello specifico, they found that freestanding single-wall tubes become amenable to collapse when they are at least 2.6 nanometers in diameter — what the researchers called the “energy equivalence point.” Theory dictates that diameter would drop to 1.9 nanometers for a single-wall tube sitting on a graphene surface, Egli ha detto, because of additional atomic interaction with the substrate.

Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, ” ha detto. “That’s the tipping point. Anything above, energetically, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, ” ha detto. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, ” ha detto. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”