I nanotubi di carbonio a parete singola sono caricati con proprietà desiderabili. In particolare, la capacità di condurre elettricità ad alta velocità li rende interessanti per l'uso come transistor su nanoscala. Ma questa e altre proprietà dipendono in gran parte dalla loro struttura, e la loro struttura è determinata quando il nanotubo sta appena iniziando a formarsi.
In un passo verso la comprensione dei fattori che influenzano il modo in cui si formano i nanotubi, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), l'Università del Maryland, e Texas A&M sono riusciti a filmarli quando hanno solo pochi atomi. Queste "immagini di bambini" di nanotubi forniscono informazioni cruciali su come germinano e crescono, potenzialmente aprendo la strada agli scienziati per crearli in massa con solo le proprietà che desiderano. I risultati sono stati pubblicati online in Nano lettere .
Per capire meglio come crescono i nanotubi di carbonio e come far crescere quelli che desideri, è necessario comprendere l'inizio del processo di crescita, chiamato nucleazione. Fare quello, devi essere in grado di immaginare il processo di nucleazione mentre accade. Però, questo non è facile perché coinvolge un piccolo numero di atomi in rapido movimento, il che significa che devi scattare foto ad altissima risoluzione molto rapidamente.
Perché veloce, le fotocamere ad alta risoluzione sono costose, Gli scienziati del NIST invece hanno rallentato il tasso di crescita abbassando la pressione all'interno del loro strumento, un microscopio elettronico a trasmissione a scansione ambientale. Dentro la camera del microscopio, ad alta temperatura e bassa pressione, il team ha osservato mentre gli atomi di carbonio generati dall'acetilene piovevano su pezzi da 1,2 nanometri di carburo di cobalto, dove si sono attaccati, trasformato in grafene, ha circondato la nanoparticella, e cominciò a crescere in nanotubi.
"Le nostre osservazioni hanno mostrato che gli atomi di carbonio si attaccano solo alle sfaccettature di metallo puro della nanoparticella di carburo di cobalto, e non quelle sfaccettature intrecciate con atomi di carbonio, " dice il chimico del NIST Renu Sharma, che ha guidato lo sforzo di ricerca. "Il tubo nascente è poi cresciuto al di sopra delle sfaccettature di cobalto-carbonio fino a trovare un'altra superficie di metallo puro a cui attaccarsi, formando un tappo chiuso. Gli atomi di carbonio hanno continuato ad attaccarsi alle sfaccettature di cobalto, spingendo il grafene precedentemente formato verso il cappuccio in una sorta di catena di montaggio del carbonio e allungando il tubo. L'intero processo è durato solo pochi secondi".
Secondo Sharma, gli atomi di carbonio cercano le configurazioni energeticamente più favorevoli mentre formano il grafene sulla superficie della nanoparticella di carburo di cobalto. Mentre il grafene ha una forma prevalentemente esagonale, struttura a nido d'ape, la geometria della nanoparticella costringe gli atomi di carbonio a disporsi in forme pentagonali all'interno del reticolo altrimenti a nido d'ape. In modo cruciale, queste irregolarità pentagonali nella struttura del grafene sono ciò che consente al grafene di curvarsi e diventare un nanotubo.
Poiché anche le sfaccettature delle nanoparticelle sembrano svolgere un ruolo decisivo nel diametro e nella chiralità del nanotubo, o direzione di torsione, il prossimo passo del gruppo sarà misurare la chiralità dei nanotubi man mano che crescono. Il gruppo prevede inoltre di utilizzare nanoparticelle metalliche con diverse sfaccettature per studiare le loro proprietà adesive e vedere come influenzano la chiralità e il diametro dei tubi.
