(Phys.org) - A la temperatura adecuada, con el catalizador adecuado, no hay razón para un nanotubo de carbono de pared simple 50 perfecto, 000 veces más delgado que un cabello humano no se puede cultivar un metro de largo.

Ese cálculo es uno de los resultados de un estudio realizado por colaboradores de Rice, Universidades de Hong Kong Polytechnic y Tsinghua que exploraron el mecanismo de autocuración que podría hacer posible un crecimiento tan extraordinario. Eso es importante para los científicos que consideran que los nanotubos de carbono de alta calidad son fundamentales para los materiales avanzados y, si se pueden tejer en cables largos, distribución de energía a través de la red del futuro.

El informe publicado en línea por Cartas de revisión física es del físico teórico de Rice, Boris Yakobson; Feng Ding, profesor asistente adjunto en Rice y profesor asistente en el Politécnico de Hong Kong; autor principal Qinghong Yuan, investigador postdoctoral en el Politécnico de Hong Kong; y Zhiping Xu, profesor de ingeniería mecánica en Tsinghua y ex investigador postdoctoral en Rice.

Determinaron que el hierro es el mejor y más rápido entre los catalizadores comunes para curar defectos topológicos (anillos con demasiados o muy pocos átomos) que inevitablemente burbujean durante la formación de nanotubos y afectan sus valiosas propiedades físicas y electrónicas. La combinación correcta de factores, principalmente temperatura, conduce a la curación cinética en la que los átomos de carbono descarriados se redirigen para formar los hexágonos energéticamente favorables que forman los nanotubos y su primo plano, grafeno. El equipo empleó la teoría funcional de la densidad para analizar las energías necesarias para la transformación.

“Es sorprendente que la curación de todos los defectos potenciales - pentágonos, heptágonos y sus pares:durante el crecimiento de los nanotubos de carbono es bastante fácil, "Dijo Ding, quien fue un científico investigador en el laboratorio de arroz de Yakobson de 2005 a 2009. “Solo menos de una milmillonésima parte puede sobrevivir a una condición óptima de crecimiento. La tasa de curación de defectos es asombrosa. Si consideramos a los hexágonos como buenos y a otros como malos, solo habría un chico malo en la Tierra ".

Las energías asociadas con cada átomo de carbono determinan cómo encuentra su lugar en la forma de un nanotubo similar a una malla de gallinero, dijo Yakobson, Rice, cátedra Karl F. Hasselmann en Ingeniería y profesor de ciencia de materiales e ingeniería mecánica y de química. Pero ha habido un largo debate entre los científicos sobre lo que realmente sucede en la interfaz entre el catalizador y un tubo de crecimiento.

“Ha habido dos hipótesis, ”Dijo Yakobson. “Uno de los más populares fue que los defectos se crean con bastante frecuencia y se introducen en la pared del tubo, pero luego se recocen. Hay algún tipo de proceso de reparación. Otra hipótesis es que básicamente no se forman en absoluto, que suena bastante irrazonable.

“Todo esto fue solo una charla; no hubo análisis cuantitativo. Y ahí es donde este trabajo hace una contribución importante. Evalúa cuantitativamente, basado en cálculos de última generación, específicamente qué tan rápido puede tener lugar este recocido, dependiendo de la ubicación, ”Dijo.

Un nanotubo crece en un horno a medida que se agregan átomos de carbono, uno a uno, en el catalizador. Es como construir primero la cima de un rascacielos y agregar ladrillos en la parte inferior. Pero debido a que esos ladrillos se están agregando a un ritmo vertiginoso, millones en cuestión de minutos, pueden ocurrir errores, alterando la estructura.

En teoria, si un anillo tiene cinco o siete átomos en lugar de seis, sesgaría la forma en que se orientan todos los átomos subsiguientes de la cadena; un pentágono aislado convertiría el nanotubo en un cono, y un heptágono lo convertiría en cuerno, Dijo Yakobson.

Pero los cálculos también mostraron que tales defectos aislados no pueden existir en una pared de nanotubos; siempre aparecerían en 5/7 pares. Eso facilita una solución rápida:si se puede pedir a un átomo que se mueva del heptágono al pentágono, ambos anillos salen seis.

Los investigadores encontraron que la transición ocurre mejor cuando los nanotubos de carbono se cultivan a temperaturas de alrededor de 930 kelvin (1, 214 grados Fahrenheit). Eso es lo óptimo para curar con un catalizador de hierro, que los investigadores encontraron tiene la barrera de energía y la energía de reacción más bajas entre los tres catalizadores comunes considerados, incluyendo níquel y cobalto.

Una vez que se forma un 5/7 en la interfaz entre el catalizador y el nanotubo en crecimiento, la curación debe ocurrir muy rápidamente. Los nuevos átomos adicionales empujan el defecto hacia la pared de nanotubos, es menos probable que se cure, ellos determinaron; a más de cuatro átomos del catalizador, el defecto está bloqueado.

El control estricto de las condiciones en las que crecen los nanotubos puede ayudarlos a autocorregirse sobre la marcha. Los errores en la ubicación de los átomos se detectan y corrigen en una fracción de milisegundo, antes de que formen parte de la pared de nanotubos.

Los investigadores también determinaron mediante simulaciones que cuanto más lento es el crecimiento, cuanto más largo pueda ser un nanotubo perfecto. Un nanotubo que crece alrededor de 1 micrómetro por segundo a 700 kelvins podría potencialmente alcanzar el hito del metro, ellos encontraron.