Professor Stephan Irle dell'Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) dell'Università di Nagoya e collaboratori dell'Università di Kyoto, Laboratorio nazionale di Oak Ridge (ORNL), e gli istituti di ricerca cinesi hanno rivelato attraverso simulazioni teoriche che il meccanismo molecolare della crescita dei nanotubi di carbonio (CNT) e della combustione degli idrocarburi condividono in realtà molte somiglianze.

Negli studi che utilizzano molecole di acetilene (etino; C2H2, una molecola contenente un triplo legame tra due atomi di carbonio) come materia prima, il radicale etinilico (C2H), è stato scoperto che un intermedio molecolare altamente reattivo svolge un ruolo importante in entrambi i processi che formano CNT e fuliggine, che sono due strutture nettamente diverse.

Lo studio pubblicato online il 24 gennaio 2014 in Carbonio , dovrebbe portare all'identificazione di nuovi modi per controllare la crescita dei CNT e per aumentare la comprensione dei processi di combustione del carburante.

I CNT sono molecole con una nanostruttura cilindrica (nano =10E-9 m o 1/1, 000, 000, 000 m). Nascono dalle loro proprietà fisiche e chimiche uniche, I CNT hanno trovato applicazioni tecnologiche nei campi dell'elettronica, ottica e scienza dei materiali.

I CNT possono essere sintetizzati con un metodo chiamato deposizione chimica da vapore, dove le molecole di vapore di idrocarburi si depositano su catalizzatori di metalli di transizione sotto un flusso di gas non reattivo ad alte temperature.

I problemi attuali con questo metodo sono che i CNT sono solitamente prodotti come miscele di nanotubi con vari diametri e diverse strutture della parete laterale. Simulazioni teoriche coordinate dal professor Irle hanno esaminato i meccanismi molecolari della crescita dei CNT utilizzando molecole di acetilene come materia prima (Figura 1). Il risultato della loro ricerca fornisce informazioni sull'identificazione di nuovi parametri che possono essere variati per migliorare il controllo sulla distribuzione dei prodotti nella sintesi dei CNT.

Sono stati eseguiti calcoli teorici di alto livello utilizzando la dinamica molecolare della chimica quantistica per studiare le prime fasi della crescita dei CNT da molecole di acetilene su piccoli cluster di ferro (Fe38). Precedenti studi meccanicistici hanno postulato la completa scomposizione dei gas di origine di idrocarburi in carbonio atomico prima della crescita dei CNT.

"Le nostre simulazioni hanno dimostrato che l'oligomerizzazione dell'acetilene e le reazioni di reticolazione tra le catene di idrocarburi si verificano come principali vie di reazione nella crescita dei CNT, insieme alla decomposizione in carbonio atomico", afferma il professor Stephan Irle, che ha condotto la ricerca, "questo segue i meccanismi simili all'addizione di acetilene di estrazione dell'idrogeno (HACA) che si osservano comunemente nei processi di combustione", continua.

È noto che i processi di combustione procedono mediante il meccanismo simile all'addizione di acetilene di estrazione di idrogeno (HACA). L'inizio del meccanismo inizia con l'estrazione dell'atomo di idrogeno da una molecola precursore seguita dall'aggiunta di acetilene, e il ciclo ripetitivo porta alla formazione di carboni policiclici aromatici (IPA) strutturati ad anello.

In questo processo, il radicale etinilico altamente reattivo (C2H) viene continuamente rigenerato, estendendo gli anelli degli IPA ed eventualmente formando fuliggine. Lo stesso intermedio reattivo chiave si osserva nella crescita dei CNT e agisce come organocatalizzatore (un catalizzatore basato su una molecola organica) facilitando le reazioni di trasferimento dell'idrogeno attraverso i cluster di idrocarburi in crescita. Le simulazioni identificano un intrigante processo di biforcazione mediante il quale specie di idrocarburi ricchi di idrogeno arricchiscono il contenuto di idrogeno creando sottoprodotti non CNT, e le specie di idrocarburi carenti di idrogeno arricchiscono il contenuto di carbonio portando alla crescita di CNT (Figura 2).

"Abbiamo iniziato questo tipo di ricerca dal 2000, e il lungo tempo di simulazione è stata una grande sfida per condurre simulazioni complete su tutte le molecole partecipanti, a causa della resistenza relativamente elevata del legame carbonio-idrogeno. Stabilire e utilizzare un metodo di calcolo rapido, siamo stati in grado di incorporare con successo l'idrogeno nei nostri calcoli per la prima volta, che ha portato a questa nuova comprensione che rivela la somiglianza tra la crescita dei CNT e i processi di combustione degli idrocarburi. Questa scoperta è molto intrigante, nel senso che a lungo si è ritenuto che questi processi procedessero con meccanismi completamente diversi" elabora il professor Irle.

I risultati di queste simulazioni illustrano l'importanza del ruolo del legame chimico del carbonio e delle trasformazioni molecolari nella crescita dei CNT. Il professor Irle spiega, "Le nostre simulazioni suggeriscono nuovi parametri, come la regolazione del contenuto di idrogeno per migliorare il controllo della crescita dei CNT e della formazione di fuliggine. Desideriamo sviluppare nuovi metodi per accelerare le tecniche che convinceranno gli sperimentatori e stabilire ulteriori strumenti per esplorare nuove possibilità che contribuiranno alla comprensione di questi importanti processi".