El profesor Stephan Irle del Instituto de Bio-Moléculas Transformadoras (WPI-ITbM) de la Universidad de Nagoya y colaboradores de la Universidad de Kyoto, Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), y las instituciones de investigación chinas han revelado a través de simulaciones teóricas que el mecanismo molecular del crecimiento de los nanotubos de carbono (CNT) y la combustión de hidrocarburos en realidad comparten muchas similitudes.

En estudios que utilizan moléculas de acetileno (etino; C2H2, una molécula que contiene un triple enlace entre dos átomos de carbono) como materia prima, el radical etinilo (C2H), Se encontró que un intermedio molecular altamente reactivo juega un papel importante en ambos procesos que forman CNT y hollín, que son dos estructuras distintivamente diferentes.

El estudio, publicado en línea el 24 de enero, 2014 en Carbón , Se espera que conduzca a la identificación de nuevas formas de controlar el crecimiento de CNT y de aumentar la comprensión de los procesos de combustión de combustibles.

Los CNT son moléculas con una nanoestructura cilíndrica (nano =10E-9 mo 1/1, 000, 000, 000 m). Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, Los CNT han encontrado aplicaciones tecnológicas en los campos de la electrónica, óptica y ciencia de los materiales.

Los CNT se pueden sintetizar mediante un método llamado deposición química de vapor, donde las moléculas de vapor de hidrocarburo se depositan sobre catalizadores de metales de transición bajo un flujo de gas no reactivo a altas temperaturas.

Los problemas actuales con este método son que los CNT generalmente se producen como mezclas de nanotubos con varios diámetros y diferentes estructuras de paredes laterales. Las simulaciones teóricas coordinadas por el profesor Irle han investigado los mecanismos moleculares del crecimiento de CNT utilizando moléculas de acetileno como materia prima (Figura 1). El resultado de su investigación proporciona información para identificar nuevos parámetros que pueden modificarse para mejorar el control sobre la distribución de productos en la síntesis de CNT.

Se realizaron cálculos teóricos de alto nivel utilizando dinámica molecular química cuántica para estudiar las primeras etapas del crecimiento de CNT a partir de moléculas de acetileno en pequeños grupos de hierro (Fe38). Estudios mecanicistas previos han postulado la descomposición completa de los gases fuente de hidrocarburos en carbono atómico antes del crecimiento de CNT.

"Nuestras simulaciones han demostrado que la oligomerización de acetileno y las reacciones de entrecruzamiento entre cadenas de hidrocarburos ocurren como vías de reacción principales en el crecimiento de CNT, junto con la descomposición en carbono atómico ", dice el profesor Stephan Irle, quien dirigió la investigación, "Esto sigue a mecanismos similares a los de adición de acetileno de abstracción de hidrógeno (HACA) que se observan comúnmente en los procesos de combustión", continúa.

Se sabe que los procesos de combustión proceden por el mecanismo similar a la adición de acetileno de abstracción de hidrógeno (HACA). La iniciación del mecanismo comienza con la abstracción del átomo de hidrógeno de una molécula precursora seguida de la adición de acetileno, y el ciclo repetitivo conduce a la formación de carbonos aromáticos policíclicos estructurados en anillo (PAH).

En este proceso, el radical etinilo altamente reactivo (C2H) se regenera continuamente, extendiendo los anillos de HAP y eventualmente formando hollín. El mismo intermedio reactivo clave se observa en el crecimiento de CNT y actúa como un organocatalizador (un catalizador basado en una molécula orgánica) que facilita las reacciones de transferencia de hidrógeno a través de grupos de hidrocarburos en crecimiento. Las simulaciones identifican un intrigante proceso de bifurcación mediante el cual las especies de hidrocarburos ricas en hidrógeno enriquecen el contenido de hidrógeno creando subproductos que no son CNT. y las especies de hidrocarburos deficientes en hidrógeno enriquecen el contenido de carbono, lo que conduce al crecimiento de CNT (Figura 2).

"Comenzamos este tipo de investigación en 2000, y el largo tiempo de simulación ha sido un gran desafío para realizar simulaciones completas en todas las moléculas participantes, debido a la resistencia relativamente alta del enlace carbono-hidrógeno. Al establecer y utilizar un método de cálculo rápido, pudimos incorporar con éxito hidrógeno en nuestros cálculos por primera vez, lo que llevó a esta nueva comprensión que revela la similitud entre el crecimiento de CNT y los procesos de combustión de hidrocarburos. Este hallazgo es muy intrigante en el sentido de que durante mucho tiempo se consideró que estos procesos procedían de mecanismos completamente diferentes ", explica el profesor Irle.

Los resultados de estas simulaciones ilustran la importancia del papel de los enlaces químicos de carbono y las transformaciones moleculares en el crecimiento de CNT. El profesor Irle explica:"Nuestras simulaciones sugieren nuevos parámetros, como ajustar el contenido de hidrógeno para mejorar el control del crecimiento de CNT y la formación de hollín. Deseamos desarrollar nuevos métodos para acelerar las técnicas que convencerán a los experimentadores y establecerán más herramientas para explorar nuevas posibilidades que contribuirán a la comprensión de estos importantes procesos ".