Coltivare un lotto di nanotubi di carbonio che sono tutti uguali potrebbe non essere così semplice come speravano i ricercatori, secondo gli scienziati della Rice University.

Il teorico dei materiali di riso Boris Yakobson e il suo team hanno contraddetto una teoria secondo cui quando si coltivano nanotubi in una fornace, un catalizzatore con una specifica disposizione atomica e simmetria renderebbe in modo affidabile i nanotubi di carbonio di simile chiralità, l'angolo del suo reticolo di atomi di carbonio.

Anziché, hanno scoperto che il catalizzatore in questione avvia i nanotubi con una varietà di angoli chirali ma li reindirizza quasi tutti verso una variante in rapida crescita nota come (12, 6). La causa sembra essere un'interfaccia simile a Janus composta da poltrone e segmenti a zigzag, e alla fine cambia il modo in cui crescono i nanotubi.

Poiché la chiralità determina le proprietà elettriche di un nanotubo, la capacità di coltivare lotti specifici per chirali è un santo graal per le nanotecnologie. Potrebbe portare a fili che, a differenza del rame o dell'alluminio, trasmettere energia senza perdite. I nanotubi generalmente crescono in chiralità casuali.

Lo studio teorico del riso dettagliato nella rivista dell'American Chemical Society Nano lettere potrebbe essere un passo verso catalizzatori che producono lotti omogenei di nanotubi, ha detto Yakobson.

Yakobson e i colleghi Evgeni Penev e Ksenia Bets e lo studente laureato Nitant Gupta hanno affrontato un enigma presentato da altri sperimentatori in un seminario del 2013 che utilizzavano una lega di cobalto e tungsteno per catalizzare i nanotubi a parete singola. Nel lotto di quel laboratorio, più del 90% dei nanotubi aveva una chiralità di (12, 6).

I numeri (12, 6) sono coordinate che si riferiscono al vettore chirale di un nanotubo. I nanotubi di carbonio sono fogli arrotolati di grafene bidimensionale. Il grafene è altamente conduttivo, ma quando viene arrotolato in un tubo, la sua conduttività dipende dall'angolo, o chiralità, del suo reticolo esagonale.

I nanotubi delle poltrone, così chiamati per la forma a poltrona dei loro bordi, hanno indici chirali identici, come (9, 9) e sono molto desiderati per la loro perfetta conduttività. Sono diversi dai nanotubi a zigzag, come (16, 0), che possono essere semiconduttori. Ruotare un foglio di grafene di soli 30 gradi cambierà il nanotubo che forma da poltrona a zigzag o viceversa.

Penev ha detto che gli sperimentali hanno spiegato il loro lavoro "in un modo che è stato sconcertante fin dall'inizio. Hanno detto che questo catalizzatore ha una simmetria specifica che corrisponde al (12, 6) bordo, quindi questi nanotubi nucleano e crescono preferenzialmente. Questo è stato l'emergere della cosiddetta idea di corrispondenza di simmetria della crescita selettiva dei nanotubi di carbonio.

"Abbiamo letto e digerito che, ma non siamo ancora riusciti a avvolgere le nostre menti intorno ad esso, " Egli ha detto.

Poco dopo la conferenza del 2013, il laboratorio Yakobson ha pubblicato la propria teoria sulla crescita dei nanotubi, che ha mostrato che l'equilibrio tra due forze opposte - l'energia del contatto catalizzatore-nanotubo e la velocità con cui gli atomi si attaccano al tubo in crescita all'interfaccia - sono responsabili della chiralità.

Cinque anni dopo, che risulta essere altrettanto vero nel loro nuovo giornale, anche se con una svolta. I calcoli di Rice mostrano che la lega Co7W6 promuove la formazione dell'interfaccia simile a Janus che assicura il necessario attorcigliamento al bordo e consente agli atomi di carbonio di attaccarsi alla fondazione del nanotubo. Ma il catalizzatore costringe anche il nanotubo a incorporare difetti che alterano la sua chiralità iniziale nel mezzo del flusso.

"Abbiamo scoperto due cose, " Yakobson ha detto. "Uno è che i tipi di atomi di carbonio alla base del nanotubo si separano in segmenti a poltrona ea zigzag. La seconda è la tendenza alla formazione di difetti che guidano la chiralità, o elicità, modificare. Ciò rende (12, 6) una sorta di attrattore transitorio, almeno durante brevi esperimenti. Se potessero crescere per sempre, (12, 6) i nanotubi alla fine si trasformerebbero in poltrone."

L'insolito modello di crescita potrebbe essere stato diagnosticato molto prima se non fosse stato per un refuso secolare che ha richiesto un ostinato lavoro investigativo.

"Il problema era in un database online standard che fornisce la struttura cristallina di questa lega di cobalto-tungsteno, " ha detto Bets, co-autore del documento con Penev. "Una voce era sbagliata. Questo ha incasinato la struttura così tanto che non abbiamo potuto usarla nei nostri calcoli della teoria del funzionale della densità".

Una volta trovato l'errore, Bets e il coautore Gupta tornarono al documento tedesco del 1938 che fu il primo a descrivere correttamente la struttura di Co7W6. Anche con quello in mano, i calcoli del team hanno utilizzato ogni bit di potenza di calcolo che potevano trovare per simulare le connessioni energetiche tra ciascun atomo nel catalizzatore e la materia prima di carbonio.

"Abbiamo capito che se avessimo eseguito i calcoli in serie anziché in parallelo, avrebbero preso l'equivalente di almeno 2, 000 anni di computer, "Ha detto scommesse.

"Questo documento è notevole sotto molti aspetti:nella tempistica, la quantità di dettagli e le sorprese che abbiamo trovato, " Penev ha detto. "Non abbiamo mai avuto un progetto come questo. Non sappiamo ancora come questo sarà applicabile ad altri materiali, ma ci stiamo lavorando".

"Ci sono quattro o cinque articoli sperimentali, piuttosto recenti, che mostrano anche un cambiamento di chiralità durante la crescita, " Bets ha detto. "In effetti, perché è un processo probabilistico, è essenzialmente inevitabile. Ma fino ad ora non è mai stato considerato nell'indagine teorica sulla crescita".