Quando un cerchio è meno stabile di un anello frastagliato? Apparentemente quando parli di nanotubi di carbonio.

I ricercatori teorici della Rice University hanno scoperto che i nanotubi con sezioni separate di sfaccettature "a zigzag" e "a poltrona" che crescono da un catalizzatore solido sono molto più stabili dal punto di vista energetico di quanto sarebbe una disposizione circolare.

Nelle giuste circostanze, hanno riferito, l'interfaccia tra un nanotubo in crescita e il suo catalizzatore può raggiungere il suo stato energetico più basso noto tramite la configurazione "Janus" a due facce, con un semicerchio di zigzag di fronte a sei poltrone.

I termini si riferiscono alla forma del bordo del nanotubo:l'estremità di un nanotubo a zigzag sembra un dente di sega, mentre una poltrona è come una fila di sedili con braccioli. Sono le configurazioni di bordo di base del nido d'ape bidimensionale di atomi di carbonio noto come grafene (così come altri materiali 2-D) e determinano molte delle proprietà dei materiali, soprattutto conducibilità elettrica.

Il team del teorico dei materiali della Brown School of Engineering Boris Yakobson, il ricercatore e autore principale Ksenia Bets e l'assistente professore di ricerca Evgeni Penev hanno riportato i loro risultati sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

La teoria è una continuazione della scoperta del team dell'anno scorso secondo cui è probabile che le interfacce Janus si formino su un catalizzatore di tungsteno e cobalto, che porta a un'unica chiralità, chiamato (12, 6), che altri laboratori avevano segnalato una crescita nel 2014.

Il team di Rice ora mostra che tali strutture non sono uniche per un catalizzatore specifico, ma sono una caratteristica generale di un certo numero di catalizzatori rigidi. Questo perché gli atomi che si attaccano al bordo del nanotubo cercano sempre i loro stati energetici più bassi, e capita di trovarlo nella configurazione Janus che hanno chiamato AZ.

"Le persone hanno assunto negli studi che la geometria del bordo è un cerchio, Penev ha detto. "Questo è intuitivo, è normale presumere che il bordo più corto sia il migliore. Ma abbiamo scoperto che per i tubi chirali il bordo Janus leggermente allungato consente un contatto molto migliore con i catalizzatori solidi. L'energia per questo vantaggio può essere piuttosto bassa".

Nella configurazione del cerchio, i fondi piatti delle poltrone poggiano sul sottofondo, fornendo il numero massimo di contatti tra il catalizzatore e il nanotubo, che cresce dritto. (I bordi di Giano li costringono a crescere ad angolo.)

Nanotubi di carbonio:lunghi, tubi arrotolati di grafene:sono abbastanza difficili da vedere con un microscopio elettronico. Non c'è ancora modo di osservare la base di un nanotubo mentre cresce dal basso verso l'alto in un forno a deposizione chimica da vapore. Ma i calcoli teorici dell'energia a livello di atomo che passa tra il catalizzatore e il nanotubo all'interfaccia possono dire molto ai ricercatori su come crescono.

Questo è un percorso che il laboratorio di Rice ha perseguito per più di un decennio, tirando il filo che rivela come piccoli aggiustamenti nella crescita dei nanotubi possono cambiare la cinetica, e infine come i nanotubi possono essere utilizzati nelle applicazioni.

"In genere, l'inserimento di nuovi atomi sul bordo del nanotubo richiede la rottura dell'interfaccia tra il nanotubo e il substrato, " Bets ha detto. "Se l'interfaccia è stretta, costerebbe troppa energia. Ecco perché la teoria della crescita della dislocazione della vite proposta dal professor Yakobson nel 2009 è stata in grado di collegare il tasso di crescita con la presenza di attorcigliamenti, i siti sul bordo del nanotubo che interrompono lo stretto contatto nanotubo di carbonio-substrato.

"Curiosamente, anche se la configurazione del bordo Janus consente un contatto molto stretto con il substrato, conserva ancora un singolo attorcigliamento che consentirebbe la crescita continua dei nanotubi, come abbiamo dimostrato l'anno scorso per il catalizzatore al cobalto e tungsteno, "Ha detto scommesse.

Bets ha eseguito ampie simulazioni al computer per modellare i nanotubi che crescono su tre catalizzatori rigidi che hanno mostrato prove della crescita di Janus e un altro catalizzatore "fluido", carburo di tungsteno, quello no. "La superficie di quel catalizzatore è molto mobile, quindi gli atomi possono muoversi molto, " Penev ha detto. "Per quello, non abbiamo osservato una netta segregazione".

Yakobson ha paragonato i nanotubi di Janus alla forma dei cristalli di Wulff. "È alquanto sorprendente che la nostra analisi suggerisca una ristrutturazione, il bordo sfaccettato è energicamente favorito per i tubi chirali, " ha detto. "Supporre che il bordo di energia più bassa debba essere un cerchio di lunghezza minima è come assumere che una forma di cristallo debba essere una sfera di superficie minima, ma sappiamo bene che le forme 3D hanno sfaccettature e le forme 2D sono poligoni , come sintetizzato dalla costruzione Wulff.

"Il grafene ha per necessità più lati, ' ma un cilindro di nanotubi ha un bordo, rendendo l'analisi energetica diversa, " ha detto. "Ciò solleva questioni fondamentalmente interessanti e praticamente importanti sulla struttura rilevante dei bordi dei nanotubi".

I ricercatori di Rice sperano che la loro scoperta li faccia avanzare lungo il percorso verso quelle risposte. "L'implicazione immediata di questa scoperta è un cambiamento di paradigma nella nostra comprensione dei meccanismi di crescita, " Ha detto Yakobson. "Questo può diventare importante nel modo in cui si progetta praticamente il catalizzatore per una crescita efficiente, soprattutto del tipo a simmetria controllata dei nanotubi, per utilità elettronica e ottica."