Non importa l'ABC. Gli scienziati della Rice University interessati ai nanotubi stanno studiando i loro XYΩ.

I nanotubi di carbonio cresciuti in una fornace non sono sempre dritti. A volte si curvano e si attorcigliano, e talvolta si diramano in più direzioni. I ricercatori della Rice si sono resi conto di avere ora gli strumenti disponibili per esaminare quanto siano resistenti quei rami.

Hanno usato esperimenti e simulazioni per studiare la rigidità dei nanotubi uniti e hanno trovato differenze significative che sono definite dalle loro forme. Si è scoperto che alcuni tipi sono più duri di altri, e che tutti possono avere i loro usi se e quando i nanotubi vengono usati per costruire strutture su macroscala.

Il team guidato dallo scienziato dei materiali Rice Pulickel Ajayan e dal fisico teorico Boris Yakobson ha chiamato i loro nanotubi per le loro forme:I per nanotubi dritti, Y per ramificato, X per tubi uniti covalentemente che si incrociano, il simbolo lambda (una "V" capovolta) per i nanotubi che si uniscono a qualsiasi angolazione e il simbolo omega (Ω) per i tubi non covalenti che si legano attraverso van der Waals e altre forze.

Hanno detto che la sintesi mirata di questo "alfabeto nanotubi" potrebbe fornire materiale per future strutture su nanoscala con meccanismi sintonizzabili.

Lo studio è stato pubblicato dall'American Chemical Society's Nano lettere .

"Avevamo bisogno di una sorta di linguaggio per descrivere la configurazione specifica degli svincoli, così abbiamo pensato, 'Usiamo lettere, '", ha detto Evgeni Penev, un coautore e ricercatore nel gruppo di Yakobson.

Chandra Sekhar Tiwary, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Ajayan, ha pungolato le giunzioni dei nanotubi con un PicoIndenter che misura la forza e lo spostamento in nanonewton (miliardesimi di newton, un'unità di forza) e nanometri. Il PicoIndenter è stato installato su un microscopio elettronico a scansione presso Hysitron, una società di produzione e collaudo di strumenti di prova nanomeccanici a Minneapolis.

I nanotubi coltivati ​​dallo studente laureato di Rice Sehmus Ozden sono stati dispersi in una soluzione, essiccato su silicio e posto al microscopio, dove Tiwary le ha scansionate alla ricerca di "lettere" candidate. Quindi doveva essere sicuro che quei candidati fossero singole unità e non solo due nanotubi separati. "Lo spazio tra i tubi poteva essere di appena 1 nanometro, ma la risoluzione del microscopio era di 5 nanometri, quindi abbiamo dovuto prendere un lato (dei nanotubi) per essere sicuri che fossero veramente saldati, " disse. "Se i nanotubi si separassero facilmente, siamo passati al candidato successivo".

Applicare la sonda in un punto particolare su un singolo nanotubo è stata una prova di pazienza, disse Tiwary. Una volta apparso un buon candidato, lui e lo scienziato senior dello staff di Hysitron e co-autore Sanjit Bhowmick si sono concentrati sull'incrocio e, oltre 20 minuti, applicato e rilasciato lentamente una pressione sufficiente per comprimerlo senza romperlo. "Ai vecchi tempi, questi test usavano la forza bruta, ma i nuovi strumenti sono notevoli, " Ha detto Tiwary. "Siamo stati in grado di guardare come abbiamo compresso i nanotubi."

Tra i tubi legati atomicamente, hanno scoperto che le X erano le più rigide e le più in grado di tornare quasi alla loro forma originale. Poi sono arrivate le Y e poi le lambda a qualsiasi angolazione, ma tutti sono stati lasciati con ammaccature a causa dei collegamenti appena creati tra le pareti interne. Gli io e gli omega, senza legami covalenti che li uniscono ad altri nanotubi, tornati alle loro configurazioni originarie.

Gli sperimentatori si sono rivolti allo studente laureato Yang Yang del gruppo teorico di Yakobson per capire il meccanismo con cui i nanotubi gestiscono lo stress. Yang ha creato il livello dell'atomo, modelli di computer a tripla parete di ogni "lettera" e testato la loro forza con sonde virtuali.

"Negli esperimenti, otteniamo ciò che sta accadendo quantitativamente, ma non possono dirci cosa sta succedendo all'interno dei tubi, " Disse Tiwary. "Finché non hanno fatto i calcoli, non sapevamo davvero come si comportassero le giunzioni dei nanotubi di carbonio".

La risposta aveva a che fare con la geometria atomica alle giunzioni. Dove si uniscono i nanotubi, gli atomi di carbonio che normalmente si uniscono in anelli a sei membri sono spesso costretti a cambiare le loro configurazioni, adattandosi agli anelli a cinque e sette membri (noti come dislocazioni) per rimanere nello stato di energia più bassa.

Il numero di dislocazioni necessarie per creare un ramo di nanotubi è diverso per ogni angolo. Perché le dislocazioni subiscono l'urto della forza, quelle variazioni determinano la rigidità complessiva della lettera del nanotubo, hanno determinato.

Precedenti ricerche del gruppo di Yakobson hanno scoperto che mentre il grafene, l'atomo di spessore, forma di carbonio simile a un filo di pollo, è straordinariamente forte, non si allunga molto bene. Ma le nuove simulazioni hanno anche mostrato che le pareti locali dei nanotubi (che sono fondamentalmente grafene arrotolato) si allungano abbastanza da distribuire la deformazione applicata alle giunzioni.

Penev ha suggerito che i tappeti di nanotubi di determinate lettere potrebbero avere benefici materiali. "Immagina se tutti i nanotubi fossero a forma di 'Y' capovolta, " ha detto. "Un tappeto del genere sarebbe molto più difficile da schiacciare sotto pressione".

Una domanda ora è se gli scienziati possono coltivare lotti omogenei di lettere. "Possiamo avere tutte le Y e allinearle perfettamente? O possiamo avere tutte le interconnessioni X e poi creare una struttura?" chiese Tiwary. "Questa sarà la prossima sfida, ma è solo una questione di persone che ci mettono del tempo. Sono ottimista".