Al aprender a crecer y medir nanotubos individuales, Los científicos del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea pudieron confirmar una teoría del profesor de Rice, Boris Yakobson, que predijo que la quiralidad de un nanotubo, su "código de ADN", controla la velocidad de su crecimiento. (Crédito:Rahul Rao / Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea)
(PhysOrg.com) - El Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en Dayton, Ohio, ha confirmado experimentalmente una teoría del profesor de la Universidad de Rice, Boris Yakobson, que predijo un par de propiedades interesantes sobre el crecimiento de los nanotubos:que la quiralidad de un nanotubo controla la velocidad de su crecimiento, y que los nanotubos de sillón deberían crecer más rápido.
El trabajo es un paso seguro hacia la definición de todos los misterios inherentes a lo que Yakobson llama el "código de ADN de los nanotubos, "los parámetros que determinan su quiralidad - o ángulo de crecimiento - y por lo tanto su eléctrico, propiedades ópticas y mecánicas. Desarrollar la capacidad de cultivar lotes de nanotubos con características específicas es un objetivo fundamental de la investigación a nanoescala.
El nuevo artículo del investigador senior de la Fuerza Aérea Benji Maruyama; ex colega de la Fuerza Aérea Rahul Rao, ahora en el Instituto de Investigación Honda en Ohio; Yakobson y sus coautores aparecieron esta semana en la versión en línea de la revista. Materiales de la naturaleza .
Es un interesante desenlace de una saga que comenzó con un artículo de 2009 de Yakobson y sus colaboradores. Ese papel que presentó la teoría de la dislocación del físico teórico del crecimiento controlado por quiralidad, describió cómo emergen los nanotubos como si hilos individuales de átomos se entrelazaran en los ahora familiares tubos con forma de alambre de gallina. También generó un poco de controversia sobre qué significaban exactamente los resultados.
"Boris se calentó un poco por eso, "Dijo Maruyama." El trabajo experimental indicó que su teoría podría ser cierta, pero no pudieron confirmarlo. Lo bueno de nuestro trabajo es que es bastante inequívoco ".
Los investigadores de la Fuerza Aérea montaron catalizadores de nanopartículas en pilares de silicio microscópicos y los calentaron con láseres para desencadenar el crecimiento de nanotubos. Luego pudieron determinar la tasa de crecimiento y las quiralidades de los tubos. (Crédito:Rahul Rao / Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea)
Yakobson, El profesor Karl F. Hasselmann de Rice de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales y profesor de química, se lo tomó todo con calma. "La crítica no afectó nada; en realidad, fue el mejor anuncio y motivación para seguir trabajando, ", dijo." De hecho, (Sumio, el pionero de los nanotubos) Iijima señaló desde el principio que "la helicidad puede ayudar al crecimiento". Lo hemos transformado en una ecuación verificable ".
La confirmación experimental de una teoría nunca es definitiva, sino siempre satisfactoria. él admitió, y el laboratorio de la Fuerza Aérea estaba equipado de manera única para probar el vínculo entre la velocidad de crecimiento de un nanotubo y su ángulo quiral.
La quiralidad de un nanotubo de pared simple está determinada por la forma en que se "enrollan" sus átomos de carbono. Yakobson lo ha descrito como similar a enrollar un periódico; a veces el tipo se alinea, ya veces no. Esa alineación determina las propiedades eléctricas de los nanotubos. Nanotubos metálicos de sillón, llamado así por la forma de sus bordes descubiertos, son particularmente deseables porque los electrones pasan de punta a punta sin resistencia, mientras que los nanotubos semiconductores son útiles para la electrónica, entre otras aplicaciones.
Rao desarrolló una técnica en el laboratorio de Maruyama para medir las tasas de crecimiento de nanotubos individuales. "Es una configuración impresionante, Yakobson dijo. "Pueden cultivar tubos individuales en una densidad muy baja e identificar sus firmas, su quiralidad, y al mismo tiempo medir la rapidez con que crecen".
Un solo nanotubo se extiende a través de un pilar de silicio microscópico en el experimento del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. (Crédito:Rahul Rao / Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea)
La técnica implicó montar nanopartículas de catalizador en pilares de silicio microscópicos y dispararles láseres estrictamente controlados. El calor del láser hizo que los nanotubos crecieran a través de una técnica estándar llamada deposición química de vapor. y al mismo tiempo, los investigadores analizaron los crecimientos de nanotubos mediante espectroscopía Raman.
De los espectros podían decir qué tan rápido crecía un nanotubo y en qué punto terminaba el crecimiento. Las imágenes de microscopio electrónico posteriores confirmaron que los espectros eran de nanotubos individuales de pared simple, mientras que los ángulos quirales se determinaron comparando los espectros Raman posteriores al crecimiento y los diámetros de nanotubos con la gráfica de Kataura, que mapea la quiralidad en función de la banda prohibida y el diámetro.
Señalaron en el documento que los resultados proporcionan una base para futuras investigaciones sobre el crecimiento de tipos específicos de nanotubos. "Ahora que sabemos cuál es la tasa de crecimiento de un nanotubo de quiralidad en particular, uno podría pensar en tratar de lograr el crecimiento de esa quiralidad específica influyendo en las condiciones de crecimiento en consecuencia, "Dijo Rao." Entonces, básicamente, ahora tenemos otra 'perilla' para girar ".
"Este trabajo se encuentra en una etapa de desarrollo muy temprana, y se trata de post-nucleación, Yakobson dijo. "La nucleación establece lo que creo que es el código genético, muy primitivo en comparación con la biología, que determina la quiralidad y la velocidad de crecimiento de un nanotubo". Dijo que algún día podría ser posible dictar la forma de un nanotubo. a medida que comienza a brotar de un catalizador, "pero se necesitará mucho ingenio".
Yakobson reveló una fórmula el año pasado que definía la probabilidad de nucleación a través de las energías de borde para el grafeno, que es básicamente un nanotubo cortado y aplanado. Pero la teoría de la dislocación anterior y relacionada se aplica al siguiente crecimiento, y si se confirma más, puede llegar a ser su obra maestra.
"La teoría de la dislocación del crecimiento es elegante y simple, ", Dijo Rao." Todavía es demasiado pronto para decir que es el único mecanismo de crecimiento, pero a Boris se le debe dar mucho crédito por proponer esta audaz idea en primer lugar ".
