(Phys.org) —Il carbonio – la base chimica di tutta la vita conosciuta e un elemento conosciuto fin dall'VIII secolo a.C. – esiste in una gamma di forme, o allotropi , con proprietà notevolmente diverse. (Diamante, Per esempio, è un reticolo tetraedrico trasparente ed estremamente duro che conduce male l'elettricità ma è un ottimo conduttore termico. Grafite, d'altra parte - un moderato conduttore elettrico - è un morbido, Nero, solido traballante formato da fogli di reticoli esagonali piatti noti come grafene .) Tra gli allotropi del carbonio, nanotubi di carbonio sono nanostrutture cilindriche a base di grafene con proprietà centrali in molti campi della scienza e della tecnologia dei materiali. In particolare, nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) sono nanotubi di carbonio le cui proprietà cambiano con il loro chiralità - questo è, le disposizioni degli atomi di carbonio, che si basa sul diametro del tubo e sull'angolo di avvolgimento come specificato da ciò che è noto come loro ( n, m ) valore. Queste varianti si comportano come conduttori elettrici o semiconduttori con diversi bandgap (l'intervallo di energia in un solido in cui non possono esistere stati di elettroni), rendendoli estremamente desiderabili per le applicazioni di nanoelettronica. Sebbene questa caratteristica dipenda dal fatto che gli SWVT sono tutti in forma chirale o l'altra, è stato storicamente molto difficile coltivare selettivamente una sola forma, con la massima selettività del 55% ottenuta utilizzando particelle accuratamente scelte come catalizzatori nel processo di crescita della sintesi della deposizione chimica da vapore. Recentemente, però, scienziati dell'Università di Pechino, Pechino ha utilizzato nanocristalli di lega bimetallica a base di tungsteno come catalizzatori per produrre direttamente chiralità singola (cioè, SWNT destrorsi o mancini) con una purezza superiore al 92%. Facendo così, dicono i ricercatori, i loro risultati hanno posto le basi per il controllo completo sulla crescita della chiralità SWNT, e quindi ulteriore sviluppo di applicazioni SWNT.

La prof.ssa Yan Li ha discusso del documento che lei e i suoi coautori hanno pubblicato su Natura insieme a Phys.org . "Le proprietà degli SWNT sono totalmente determinate dalla loro struttura, o chiralità – e in molte applicazioni, è richiesto che i materiali presentino proprietà uniformi, "Li racconta Phys.org . Come esempio, dice che quando si usano gli SWNT per costruire transistor ad effetto di campo (FET), si spera sempre che tutti gli SWNT abbiano la struttura identica, esibendo così le stesse prestazioni. "Però, "Li aggiunge, "La crescita controllata dalla chiralità è stata una grande sfida nel settore per vent'anni, ma abbiamo sviluppato una nuova strategia per raggiungere l'obiettivo".

Li osserva che ci sono due fattori importanti per ridurre la temperatura di lega:gli atomi di tungsteno e cobalto sono già ben miscelati nel precursore, e le particelle sono di dimensioni nanometriche. Di conseguenza, la loro strategia si basa su una nuova famiglia di catalizzatori – nanocatalizzatori in lega a base di tungsteno – per la crescita dei nanotubi di carbonio. "Questi catalizzatori mantengono la loro struttura cristallizzata alle altissime temperature necessarie per la crescita dei nanotubi di carbonio, e mostrano anche una struttura davvero unica che funge da modello di nanotubi di carbonio." La lega a base di tungsteno si forma a temperature estremamente elevate - normalmente ben al di sopra di 2000 ° C - che richiedono strutture speciali, poiché è estremamente difficile eseguire questa procedura utilizzando apparecchiature di laboratorio standard - e inoltre, Li sottolinea, è difficile controllare le dimensioni, struttura e morfologia della lega risultante in tali condizioni. "Abbiamo utilizzato un cluster molecolare precursore† per ottenere nanocatalizzatori di nanoparticelle in lega di tungsteno-cobalto (W-Co) alla temperatura moderata di ~ 1000 ° C, "Li dice, "che ha reso la produzione SWNT molto più semplice."

La chiave per risolvere questa sfida di crescita SWNT controllata dalla chiralità vecchia di due decenni era, detto semplicemente, una nuova idea. "Sebbene sia stato compiuto un ampio sforzo per esplorare la crescita SWNT selettiva per la chiralità, non era stato sviluppato alcun approccio efficiente. Ciò è in parte dovuto al fatto che non abbiamo una visione sufficiente del meccanismo di crescita SWNT, " spiega. "In effetti, è abbastanza difficile raccogliere abbastanza informazioni sul posto durante il processo di crescita dei nanotubi, ma sono proprio queste informazioni che possono aiutarci a capire il meccanismo. Alimentato dalla mia esperienza di oltre dieci anni nella crescita SWNT, Ho avuto una nuova idea sull'uso di catalizzatori per guidare la struttura degli SWNT".

Mentre i ricercatori hanno studiato vigorosamente l'uso di catalizzatori per modellare la struttura degli SWNT, come evidenziato dai numerosi articoli pubblicati in quest'area, il successo si è dimostrato sfuggente. "Ci siamo riusciti, "Li aggiunge, "perché abbiamo due idee significativamente diverse, vale a dire, abbiamo riconosciuto che sono necessari catalizzatori con punti di fusione elevati per utilizzare il catalizzatore come stampo strutturale; abbiamo trovato la ricetta giusta per ottenere catalizzatori con alti punti di fusione; ci siamo resi conto che la struttura unica del catalizzatore è essenziale per ottenere un'elevata selettività e specificità. Inoltre, come chimici inorganici conosciamo da tempo i cluster molecolari, le loro caratteristiche e come prepararli - così l'idea di utilizzare i cluster molecolari come precursori per le nanoparticelle di lega W-Co ci è venuta naturale, con conseguente nostra progettazione del nuovo percorso per la preparazione di nanoparticelle di lega W-Co."

Nella loro carta, gli scienziati affermano che da quando l'utilizzo di nanocristalli in lega ad alto punto di fusione con strutture ottimizzate come catalizzatori ha consentito la produzione di nanotubi a chiralità singola con un'abbondanza di> 92%, si aspettano che i loro risultati apriranno la strada al controllo totale della chiralità nella crescita SWNT, promuovendo così lo sviluppo di applicazioni SWNT. "Sulla base della nostra comprensione del meccanismo di crescita SWNT e dei dati sperimentali che già abbiamo, "Li dice, "siamo fiduciosi che la nostra strategia di crescita di SWNT con struttura e chiralità desiderati utilizzando catalizzatori con struttura progettata e alta stabilità possa diventare un approccio standard". Inoltre, tungsteno, cobalto, ferro da stiro, e il nichel sono abbondanti, metalli poco costosi, e la loro fonte di carbonio è l'etanolo, quindi i costi di produzione possono essere bassi, un ovvio vantaggio per la futura commercializzazione.

Una delle potenziali applicazioni più interessanti è nell'elettronica. Li sottolinea che l'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) del 2009 ha selezionato la nanoelettronica a base di carbonio, inclusi i nanotubi di carbonio e il grafene, come tecnologie promettenti mirate alla dimostrazione commerciale nel prossimo orizzonte di 10-15 anni, e così per ricevere risorse aggiuntive e road map dettagliate. "Per l'applicazione su larga scala degli SWNT nella nanoelettronica, "Li fa notare, "Sono desiderati SWNT con struttura identica. Il nostro metodo per far crescere SWNT con struttura identica è quindi una parte molto importante dello sviluppo dell'elettronica basata sui nanotubi di carbonio".

Citando un altro esempio, Li nota che il Prof. Lianmao Peng e il suo team hanno dimostrato ¹ che gli SWNT possono essere utilizzati per ottenere un'efficiente moltiplicazione del fotovoltaggio nelle celle solari basate su SWNT. Nota che SWNT identici alla struttura possono essere utilizzati anche in tali dispositivi, quindi se si usano i nanotubi, è possibile ottenere celle solari con fotovoltaggio accuratamente regolato. "Ci sono sicuramente molte più potenziali applicazioni, " aggiunge Li. Ora abbiamo campioni SWNT con struttura identica, possiamo esplorare proprietà più interessanti e possibili applicazioni che non avremmo mai potuto immaginare prima".

Li menziona anche il loro uso del Vienna Ab-initio Simulation Package per simulazioni di teoria del funzionale della densità autoconsistenti. "La simulazione fornisce approfondimenti non immediatamente disponibili attraverso i soli dati sperimentali. Può anche aiutare i teorici a comprendere il meccanismo di vari processi".

Andando avanti, Li dice, gli scienziati si concentrano su tre passaggi chiave:

• Progettare più catalizzatori per produrre SWNT con una gamma più ampia di chiralità

• Ulteriore ottimizzazione del processo per migliorare la selettività della chiralità, e quindi purezza

• Esplorazione della sintesi di massa

Al di là del proprio campo, Li racconta Phys.org , ci sono altre aree di ricerca che potrebbero trarre beneficio dal loro studio. "Nella metallurgia delle leghe, la nostra idea di utilizzare un precursore speciale per ridurre drasticamente la temperatura di lega può essere adottata perché può ridurre notevolmente il consumo di energia - e la temperatura di processo più bassa può alleviare notevolmente i requisiti dei materiali e dei sistemi di controllo per le apparecchiature di produzione. Inoltre, l'uso di catalizzatori in lega di struttura unica per produrre molecole con una struttura prestabilita può essere ampiamente utilizzato nella sintesi chimica. Finalmente, "Li conclude, "i nostri metodi per caratterizzare la composizione della chiralità SWNT possono essere utilizzati nella ricerca di base sui nanotubi di carbonio".

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