Ricercatori del Center for Multidimensional Carbon Materials, all'interno dell'Istituto di Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), hanno presentato una soluzione teorica a un mistero di lunga durata della crescita dei nanotubi di carbonio (CNT). Pubblicato in Lettere di revisione fisica , questo studio spiega perché le nanoparticelle realizzate con una lega di metalli aiutano a sintetizzare CNT più lunghi rispetto ai catalizzatori monometallici convenzionali.

I CNT sono nanostrutture tubolari fatte di atomi di carbonio con interessanti proprietà potenziali che hanno tenuto i ricercatori alla ricerca di nuovi progressi. Uno dei metodi più comuni per produrre CNT coinvolge nanoparticelle di catalizzatore, che hanno la funzione di facilitare l'aggiunta di atomi di carbonio dalle molecole precursori alle pareti dei cilindri. È risaputo nel settore che i catalizzatori in lega, come Ni-Y, Fe-Mo, Cu-Ni, e Co-Mo, superare altri catalizzatori metallici singoli, ma il motivo non è stato chiaro.

I ricercatori dell'IBS hanno eseguito una simulazione sistematica della dinamica molecolare per esplorare il ruolo dei catalizzatori delle leghe nella crescita dei CNT. "In una simulazione di dinamica molecolare, il moto di ogni atomo può essere visto chiaramente e, perciò, la variazione della forma e della struttura della particella di catalizzatore durante la crescita dei nanotubi di carbonio può essere registrata con precisione. Questo ci permette di andare oltre la capacità dei migliori metodi sperimentali, " spiega Feng Ding, un capogruppo del Centro e corrispondente autore dello studio.

Attraverso le simulazioni di dinamica molecolare, gli autori hanno scoperto che i due metalli della lega sono spazialmente separati in corrispondenza del bordo dei tubi:i CNT tendono ad attrarre gli atomi di metallo più attivi verso l'estremità aperta dei cilindri (fronte di crescita), dove gli atomi di carbonio vengono inseriti nella parete del CNT durante la crescita, mentre gli atomi di metallo meno attivi vengono spinti sopra. Ulteriori simulazioni mostrano che questo è un fenomeno generale e può essere applicato a molti tipi di catalizzatori in lega.

I ricercatori dell'IBS hanno anche dimostrato che i catalizzatori in lega vincono sulle nanoparticelle monometalliche perché gli atomi di metallo attivi vicino al bordo del CNT catturano gli atomi di carbonio più facilmente di quelli meno attivi. Ciò porterà ad una maggiore concentrazione di carbonio nel sito vicinale del fronte di crescita del CNT e ad una rapida aggiunta di atomi di carbonio, che contribuiscono alla rapida crescita del CNT.

Poiché gli atomi di carbonio sono continuamente incorporati nei CNT in crescita, i precursori del carbonio non si accumulano intorno alle nanoparticelle della lega. Ciò impedisce la formazione di un cappuccio fatto di atomi di carbonio che fagocita l'intera nanoparticella.

"Questo studio teorico affronta un enigma a lungo termine del ruolo dei catalizzatori in lega nella crescita dei nanotubi di carbonio. Rivela il vantaggio dell'utilizzo di catalizzatori in lega nella crescita dei nanotubi di carbonio, e la separazione di fase indotta dal contatto del catalizzatore in lega può essere considerata come una regola generale per guidare la progettazione del catalizzatore per la crescita controllabile dei nanotubi di carbonio, "dice Lu Qiu, il primo autore dello studio.