Questo grafico mostra la differenza tra un nanotubo da poltrona, sinistra, con un nanotubo vicino alla poltrona in rapida crescita, centro, che ha un solo nodo alla base. A destra, un nanotubo con più nodi non ha la stessa probabilità di crescere in determinate condizioni, secondo una nuova formula per la crescita dei nanotubi. Attestazione:Evgeni Penev
(Phys.org) — Molte grandi idee nascono da discorsi davanti a una tazza di caffè. Ma è raro e meraviglioso quando una rivelazione arriva dalla tazza stessa.
il fisico teorico della Rice University Boris Yakobson, agendo su improvvisa ispirazione in una riunione l'anno scorso ad Arlington, Va., ottenuto un paio di tazze di caffè di riserva da un server e un paio di forbici e ha proceduto a presentare - in stile science fair - un'idea che potrebbe avere implicazioni di vasta portata per l'industria delle nanotecnologie.
Come si evince da un nuovo documento in Comunicazioni sulla natura , Yakobson e i suoi colleghi Rice, il ricercatore postdottorato Vasilii Artyukhov e il ricercatore Evgeni Penev, era venuto fuori con il seme (o forse, bean) di una semplice formula che descrive perché i nanotubi hanno chiralità. La chiralità è la proprietà che descrive l'angolo degli esagoni dell'atomo di carbonio che compongono le pareti di un nanotubo.
I ricercatori hanno affermato che la conoscenza alla fine potrebbe consentire ai chimici di controllare la chiralità di interi lotti di nanotubi man mano che i tubi vengono coltivati.
I nanotubi di carbonio sono fogli di grafene, la forma spessa di un singolo atomo di carbonio, arrotolato in un cilindro. Alcuni tipi, chiamati nanotubi a poltrona, così chiamati per il modo in cui i loro bordi si allineano, hanno un'eccellente conduttività e potrebbero essere la chiave per cavi di trasmissione di potenza senza perdite. Ruota gli esagoni di 30 gradi e i nanotubi diventano quelli che vengono chiamati a zigzag, una variante a semiconduttore che ha un grande valore per le applicazioni elettroniche.
Zigzag, le poltrone e tutti i nanotubi intermedi sono definiti dalla loro chiralità. La loro elettronica, le proprietà chimiche e ottiche cambiano ad ogni grado compreso tra zero e 30 di inclinazione degli esagoni.
I nanotubi crescono in lotti di molti tipi, e nessuno ha ancora trovato un modo efficiente per ottenere tubi di un solo tipo in quantità industriali. La migliore speranza per le nuove tecnologie che utilizzano i nanotubi è capire come far crescere lotti a chiralità singola.
Quella, si scopre, può essere una questione di bilanciare due forze opposte:l'energia del contatto catalizzatore-nanotubo e la velocità con cui gli atomi si attaccano mentre costringono il nanotubo a crescere dal basso verso l'alto.
Yakobson e i suoi colleghi erano molto incuriositi dal fatto che, nell'ultima decade, la crescita dei nanotubi in diversi laboratori ha rivelato una forte preferenza verso le versioni vicino alla poltrona con una chiralità minima. Come cresciuto, questi nanotubi si inclinano alla base mentre sono ancora attaccati al catalizzatore metallico. "Sono torri pendenti di carbonio, " Yakobson ha detto, anche se questo avrebbe fatto ingelosire Pisa perché i nanotubi possono essere migliaia di volte più alti della loro larghezza. Più, girano mentre crescono invece di stare fermi.
"Dal punto di vista teorico, era davvero un puzzle, " Penev ha detto. "Perché crescono chirali, e cosa può controllare questo tipo di chiralità?"
Yakobson e il suo gruppo Rice sono specializzati nell'analisi teorica dell'energia a livello atomico. Quando il professore, con tazza e forbici in mano, tagliare una tacca nel contenitore, tutto ha cominciato ad avere un senso.
"Quando abbiamo esaminato molto attentamente la termodinamica e la cinetica dell'interfaccia atomica tra il catalizzatore e il corpo del reticolo di carbonio in crescita, abbiamo scoperto che c'è un equilibrio tra l'energia del contatto e la velocità con cui gli atomi di carbonio possono essere inseriti, " Egli ha detto.
Le tazzine da caffè rappresentano tre tipi di nanotubi di carbonio analizzati dai fisici teorici della Rice University. I ricercatori hanno determinato che i nanotubi vicino alla poltrona in un lotto crescono nella maggior parte perché raggiungono l'equilibrio più favorevole tra energia e velocità. Nanotubi con un angolo chirale maggiore, come quello a destra, non sono così favoriti perché l'elevata energia del contatto allentato riduce la velocità di nucleazione. Credito:il gruppo Yakobson
I ricercatori hanno descritto l'energia e la velocità come "tendenze antagoniste, " poiché la preferenza energetica si inclina verso un nanotubo a fondo piatto che abbraccia il catalizzatore e si traduce in tubi "achirali" a poltrona o a zigzag, mentre la necessità di velocità porta a tubi chirali.
Il miglior equilibrio è stato raggiunto quando i nanotubi hanno mostrato un singolo attorcigliamento alla base, come un dente su una sega, e ha lasciato la quantità di spazio necessaria affinché gli atomi si attaccassero e forzassero il tubo a spirale verso l'alto.
"Il dettaglio critico è che il carbonio è più facile da inserire nell'interfaccia tra il catalizzatore e il corpo del nanotubo se c'è un punto libero, " ha detto Artyukhov. "Questo punto sciolto è sempre dovuto al nodo nella fondazione, per così dire."
Di conseguenza, calcolando la distribuzione di crescita dei nanotubi in un lotto, i ricercatori hanno scoperto che i nanotubi più abbondanti sono quelli molto vicini al tipo a poltrona, soprattutto quando la crescita avviene a temperature più basse e con un catalizzatore solido. Temperature più elevate e un catalizzatore liquido tendono a produrre una gamma più ampia di nanotubi chirali. Entrambi i risultati possono essere spiegati dalla formula, secondo la carta.
"Infatti, una delle cose più soddisfacenti di questo lavoro è che tutta questa complessità può essere racchiusa in un'equazione matematica molto semplice, " Yakobson ha detto. "Non me lo sarei mai aspettato."
