In un articolo recentemente pubblicato in Progressi scientifici , Feng Ding del Center for Multidimensional Carbon Materials e colleghi hanno ottenuto la creazione di un tipo specifico di nanotubi di carbonio (CNT) con una selettività del 90%, e ampliato l'attuale teoria che spiega la sintesi di questi promettenti nanocilindri.

I CNT sono nanomateriali incredibilmente resistenti e leggeri realizzati in carbonio con una capacità di trasporto di corrente superiore e una conduttività termica molto elevata, rendendoli ideali per le applicazioni elettroniche. Sebbene i CNT siano considerati alcuni dei materiali più interessanti per il futuro, gli scienziati stanno ancora lottando per la loro sintesi controllabile.

La forma dei CNT può essere paragonata ai tubi di carta, proprio come si può creare un cilindro arrotolando un foglio di carta, quindi i CNT possono essere immaginati come un singolo strato di grafite arrotolato su se stesso. Tubi di forma diversa possono essere prodotti arrotolando una carta attorno al suo lato lungo, il suo lato corto, o diagonalmente ad angoli. A seconda della direzione di rotazione, uno strato di grafite può produrre diverse strutture CNT, alcuni sono conduttori e altri semiconduttori; così, la creazione selettiva di un tipo specifico di CNT sarà fondamentale per le applicazioni future, come i chip per computer ad alta efficienza energetica. Però, I CNT non sono prodotti mediante laminazione, ma sono cresciuti nanometro per nanometro, aggiungendo carbonio al bordo dei nanocilindri, un atomo alla volta. Però, ad oggi, la comprensione della crescita dei CNT rimane molto limitata e il disegno sperimentale razionale per la crescita di tipi specifici di CNT è impegnativo.

Uno dei metodi di produzione più promettenti per i CNT è la deposizione chimica da fase vapore (CVD). In questo processo, nanoparticelle metalliche combinate con gas contenenti carbonio formano CNT all'interno di un forno ad alta temperatura. Sulla punta dei tubi, le nanoparticelle metalliche svolgono un ruolo fondamentale come catalizzatori:dissociano la fonte di carbonio dai gas, e assistere l'attaccamento di questi atomi di carbonio alla parete CNT, allungando i tubi. La crescita del CNT termina una volta che la particella di catalizzatore è incapsulata da carbonio grafitico o amorfo.

Gli atomi di carbonio sono inseriti sull'interfaccia tra un CNT in crescita e una nanoparticella di catalizzatore in siti attivi del bordo, e sono disponibili per incorporare nuovi atomi. Un precedente modello del tasso di crescita del CNT ha mostrato che quest'ultimo è proporzionale alla densità di questi siti attivi all'interfaccia tra CNT e il catalizzatore, o la struttura specifica del CNT.

In questo studio, i ricercatori hanno monitorato la crescita costante dei CNT su un supporto di ossido di magnesio (MgO) con monossido di carbonio (CO) come materia prima di carbonio e nanoparticelle di cobalto come catalizzatori a 700 gradi C. Le misurazioni sperimentali dirette di 16 CNT hanno mostrato come espandere la teoria precedente . "È stato sorprendente che il tasso di crescita di un nanotubi di carbonio dipenda solo dalla dimensione della particella di catalizzatore. Ciò implica che la nostra precedente comprensione della crescita dei nanotubi di carbonio non era completa, "dice Maoshuai He, il primo autore del saggio.

Più specificamente, gli atomi di carbonio che si depositano sulla superficie delle particelle di catalizzatore possono essere incorporati sul lato attivo del CNT o rimossi mediante agenti di attacco, come H ₂ , h ₂ Oh, oh ₂ , o CO ₂ . Per spiegare le nuove osservazioni sperimentali, il team ha incluso gli effetti dell'inserimento e della rimozione del carbonio durante la crescita del CNT e ha scoperto che il tasso di crescita dipende dall'area superficiale del catalizzatore e dal rapporto del diametro del tubo.

"Rispetto al modello precedente, abbiamo aggiunto altri tre fattori:il tasso di deposizione del precursore, il tasso di rimozione del carbonio da agenti di attacco, e la velocità di inserimento del carbonio in una parete di nanotubi di carbonio. Quando la dissociazione della materia prima non può essere bilanciata dall'incisione del carbonio, il tasso di crescita dei nanotubi di carbonio non dipenderà più dalla struttura del nanotubo di carbonio. D'altra parte, la precedente teoria è ancora valida se l'acquaforte è dominante, " spiega Ding, un capogruppo del Centro per i materiali di carbonio multidimensionali.

interessante, la nuova teoria della crescita dei CNT porta a un nuovo meccanismo per far crescere selettivamente un tipo specifico di CNT, indicato come (2n, n) CNT, che è caratterizzato dal numero massimo di siti attivi all'interfaccia tra il CNT e il catalizzatore. Questa struttura CNT corrisponderebbe al rotolamento diagonale di un foglio di grafite con un angolo di circa 19 gradi.

"Se non c'è incisione del carbonio e la crescita dei nanotubi di carbonio è lenta, gli atomi di carbonio sulla superficie del catalizzatore si accumuleranno, "dice Jin Zhang, coautore dello studio e professore dell'Università di Pechino, Cina. "Ciò può portare alla formazione di carbonio grafitico o amorfo, che sono meccanismi stabiliti di terminazione della crescita dei nanotubi di carbonio. In questo caso, solo nanotubi di carbonio che sono in grado di aggiungere atomi di carbonio sulle loro pareti, cioè con il maggior numero di siti attivi, può sopravvivere."

Guidati dalla nuova comprensione teorica, i ricercatori sono stati in grado di progettare esperimenti che hanno prodotto (2n, n) CNT con una selettività fino al 90%:la massima crescita selettiva di questo tipo di CNT è stata ottenuta in assenza di qualsiasi agente di attacco e con un'elevata concentrazione di materia prima.