Una nueva investigación en la Universidad de Rice podría finalmente mostrar a los científicos la forma de hacer lotes de nanotubos de un solo tipo.

Un artículo en la revista en línea Cartas de revisión física desvela una elegante fórmula del físico Boris Yakobson de la Universidad de Rice y sus colegas que define la energía de un trozo de grafeno cortado en cualquier ángulo.

Yakobson, un profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de química, dijo que esto solo es significativo porque la forma en que el grafeno maneja la energía depende del ángulo, o quiralidad, de su borde, y resolver ese proceso para ángulos extraños ha sido un gran desafío. Pero, el escribio, la investigación tiene "profundas implicaciones en el contexto del crecimiento de nanotubos, ofreciendo formas racionales de controlar su simetría quiral, una meta tentadora pero hasta ahora esquiva ".

El grafeno es la forma de carbono de un solo átomo de espesor que se ha vuelto de gran interés por su potencial para revolucionar la electrónica. óptica, dispositivos de detección y mecánicos. Entender cómo esta hoja de átomos de carbono en forma de alambre de gallina transporta electricidad ha sido el foco de un intenso estudio.

Una hoja de grafeno con bordes en zigzag o sillón se cuadra muy bien. Los zigzags son metálicos, los sillones son semiconductores, y sus átomos marchan en fila, uniformemente espaciado, a lo largo de los bordes. Un total de 30 grados de rotación separa uno del otro.

Pero si los hexágonos que componen una hoja están desplazados menos de 30 grados, los átomos a lo largo de un borde recto están espaciados de manera desigual. "Eso hace que el análisis de la energía sea muy complicado, porque es una gran estructura irregular. Es como un ruido "Yakobson dijo." Hemos encontrado una manera de calcular las energías en estos ángulos arbitrarios, " él dijo.

Yakobson y sus coautores, Yuanyue Liu, un estudiante de posgrado en su laboratorio, y Alex Dobrinsky, ex estudiante de posgrado y ahora investigador posdoctoral en la Universidad de Brown, Pronto se preguntó cómo se aplicaban estos hallazgos a los nanotubos de carbono.

"Hay tantas formas de enrollar el grafeno en un nanotubo como de enrollar un periódico, "Dijo Yakobson." El texto se puede alinear circunferencialmente o correr recto a lo largo del eje o en espiral en un ángulo ".

Mientras que enrollar un periódico dificulta la lectura, enrollar carbono en un nanotubo hace que sea relativamente fácil "leer" su tipo, ya sea sillón o zigzag o alguna variación entre ellos. Lo que es imposible es controlar cómo rodará el tubo. El proceso tiende a ser de mala gana, dejando a los investigadores la tarea de separar los nanotubos que necesitan del volumen mediante ultracentrifugación u otros procedimientos costosos.

Yakobson dijo que sería un verdadero cambio de juego si pudieran, por ejemplo, cultivar lotes de nanotubos puros de sillón para su uso en proyectos como el nanocable cuántico de sillón (AQW). Como lo imaginó el fallecido premio Nobel de Rice, Richard Smalley, AQW podría revolucionar la red eléctrica de la nación al transportar 10 veces la cantidad de electricidad que el cobre con solo una sexta parte del peso.

El trabajo de Yakobson puede abrir un camino para hacerlo. La quiralidad de un nanotubo está determinada por la combinación de energías en juego en su nucleación. "Cuando emerge de la 'sopa primordial' de carbono, el borde del tubo es esencialmente el mismo que el borde del grafeno, " él dijo.

"En primer lugar, es solo una gorra. Todavía no hay tallo. Estas friendo estas tapas en una sartén y están burbujeando, ", dijo." La probabilidad de que emerjan diferentes burbujas está controlada por la energía alrededor del borde ".

La quiralidad del nanotubo naciente se establece cuando los átomos en la tapa autoensamblan un sexto pentágono (necesario para moldear los hexágonos en una cúpula). "Ahí es donde podemos, Pienso por primera vez hacer un juicio cuantitativo sobre cómo surgen las diferentes estructuras quirales, "Dijo Yakobson.

Puede valer la pena los esfuerzos de los químicos para observar más de cerca la energía entre el catalizador y la estructura del carbono. "Esto tiene alguna promesa, ", dijo." Si puedes modificar esta preferencia, si puede cambiar la energía del lado del catalizador, cambia la preferencia de la quiralidad. Y luego puedes decirle a estos carbones autoensamblables, 'Por favor baila de esta manera; no bailes de esa manera '".

Yakobson espera que el nuevo trabajo ayude a resolver el antiguo problema de la quiralidad de los nanotubos. "Durante casi dos décadas, no teníamos una buena comprensión de este proceso, ", dijo." En realidad, no teníamos ni idea. No digo que esta sea una solución completa, pero esta es la primera vez que vemos un enfoque cuantitativo, un orden en el aparente caos. Simplemente se siente satisfactorio.

"La conclusión es simple. Descubrimos el borde del grafeno y lo conectamos con el santo grial de los nanotubos, que es el control de quiralidad ".