(Phys.org) - Los nanotubos aplastados pueden estar maduros con nuevas posibilidades para los científicos, según un nuevo estudio de la Universidad de Rice.

Investigadores del Instituto Richard E. Smalley de Ciencia y Tecnología a Nanoescala de Rice han presentado una serie de hechos y cifras sobre los nanotubos de carbono que parecen colapsar durante el proceso de crecimiento; encontraron que estas configuraciones únicas tienen propiedades tanto de nanotubos como de nanocintas de grafeno.

Lo que los investigadores llaman “nanocintas de grafeno de borde cerrado” podría impulsar la investigación sobre su utilidad en aplicaciones de materiales y electrónica.

El trabajo pionero dirigido por Robert Hauge, un distinguido miembro de la facultad de química en Rice, se detalla en un artículo que apareció en línea este mes en la revista American Chemical Society ACS Nano .

"Un nanotubo colapsado se parece mucho al grafeno en el medio, pero exactamente como buckyballs (moléculas de carbono-60, un descubrimiento ganador del Premio Nobel en Rice) en los lados, —Dijo Hauge. “Eso significa que tienes la química del grafeno en el medio y la química de las buckybolas en los bordes. Y puede separar los dos electrónicamente colocando grupos funcionales en los lados para aislar las capas superior e inferior.

"Si haces química de bordes que convierte los lados en aislantes, entonces la parte superior no se comunica con la inferior electrónicamente, excepto a través de alguna interacción tipo van der Waals o estado excitado, ”Dijo. "De ahí es de donde vendrán las nuevas propiedades físicas y quizás electrónicas".

El hallazgo puede dar lugar a nanocintas de grafeno de dos o cuatro capas con bordes perfectos, un producto difícil de conseguir abriendo o cortando nanotubos. "El mundo del grafeno está buscando formas de hacer cintas bien definidas, —Dijo Hauge. “Siempre tienen que cortar el grafeno y terminar con lados mal definidos que afectan sus propiedades electrónicas. Estos tienen la ventaja de una ventaja mucho mejor definida ".

La conciencia de Hauge del trabajo anterior sobre el colapso de nanotubos lo llevó a estudiar el fenómeno. "Me ha interesado el cultivo de nanotubos de mayor diámetro, basado en el tamaño de partícula del catalizador, por un tiempo, ”Dijo. "Pensamos que podrían colapsar así que empezamos a buscar pruebas ".

El equipo encontró que se pliega, Los giros y torceduras en nanotubos vistos a través de un microscopio electrónico de transmisión y medidos a través de un microscopio de fuerza atómica eran buenos indicadores de nanotubos colapsados. Estos nanotubos tenían alrededor de 0,7 nanómetros de altura en el medio y un poco más en lo que los investigadores llamaron “bulbos muy tensos” en los bordes. Pero encontrar tubos aplanados no indica cómo llegaron a ese punto.

Hauge se acercó al físico teórico de Rice, Boris Yakobson, para ver cómo la energía intrínseca de los átomos en el grafeno, una de sus especialidades, permitiría que ocurriera tal colapso. Yakobson puso a la estudiante de posgrado y coautora Ksenia Bets en el caso.

"Originalmente, pensamos que este sería un problema pequeño y simple, y resultó ser simple, pero no tan pequeño, ”Dijo Bets. Usando simulación dinámica molecular, ajustó los datos de los experimentalistas a modelos atomísticos de nanotubos de pared simple. "Y luego, utilizando los mismos parámetros, Produje resultados para paredes dobles, y también encajan exactamente con los datos experimentales ".

Los resultados recopilados durante seis meses confirmaron la probabilidad de que, a una temperatura de crecimiento (750 grados Celsius), los nanotubos flexibles que revolotean en la brisa de gas dentro de un horno podrían inducirse a colapsar. Si dos átomos a cada lado de la pared interior se acercan lo suficiente entre sí, pueden iniciar una cascada de van der Walls que aplana el nanotubo, Bets dijo.

"Al principio, se necesita energía para presionar el nanotubo, pero llegas a un punto donde los dos lados comienzan a sentirse, y comienzan a ganar la energía de atracción, —Dijo Hauge. “La fuerza de van der Waals se hace cargo, y luego los tubos prefieren colapsarse ".

Dijo que la energía requerida para colapsar un nanotubo disminuye a medida que aumenta el diámetro del tubo. "Es como una pajita, ”Dijo. “Para un nanotubo de pared simple, cuanto más grande se vuelve, más fácil es distorsionar ".

Más significativos fueron los cálculos que determinaron los diámetros específicos a los que los nanotubos se vuelven propensos a colapsar. Hay un punto Hauge dijo:en el que un nanotubo podría ir en cualquier dirección, por lo que la dispersión de nanotubos a nanocintas en un lote de un diámetro particular debe ser aproximadamente igual. A medida que aumenta el diámetro, el equilibrio se desplaza a favor de las cintas.

"Es un desempate entre la energía de tensión en los bordes y la interacción de van der Walls en el centro, ”Dijo. Específicamente, encontraron que los tubos independientes de pared simple se vuelven susceptibles de colapsar cuando tienen al menos 2.6 nanómetros de diámetro, lo que los investigadores llamaron el "punto de equivalencia de energía". La teoría dicta que el diámetro se reduciría a 1.9 nanómetros para un tubo de pared simple asentado a graphene surface, él dijo, because of additional atomic interaction with the substrate.

Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, ”Dijo. “That’s the tipping point. Anything above, enérgicamente, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, ”Dijo. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, ”Dijo. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”