(Phys.org) —El carbono, la base química de toda la vida conocida y un elemento conocido desde el siglo VIII a. C., existe en una variedad de formas, o alótropos , con propiedades notablemente diversas. (Diamante, por ejemplo, es una red tetraédrica transparente y extremadamente dura que conduce mal la electricidad pero es un excelente conductor térmico. Grafito, por otro lado, un conductor eléctrico moderado, es un suave, negro, sólido escamoso formado a partir de láminas de celosías hexagonales planas conocidas como grafeno .) Entre los alótropos del carbono, nanotubos de carbon son nanoestructuras cilíndricas basadas en grafeno con propiedades fundamentales para muchos campos de la ciencia y tecnología de los materiales. En particular, nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) son nanotubos de carbono cuyas propiedades cambian con su quiralidad - es decir, las disposiciones de los átomos de carbono, que se basa en el diámetro del tubo y el ángulo de envoltura según lo especificado por lo que se conoce como su ( norte, metro ) valor. Estas variantes se comportan como conductores eléctricos o semiconductores con diferentes bandgaps (el rango de energía en un sólido donde no pueden existir estados de electrones), haciéndolos extremadamente deseables para aplicaciones nanoelectrónicas. Si bien esta característica depende de que los SWVT estén todos en forma quiral o la otra, Históricamente ha sido muy difícil cultivar selectivamente una forma sola, alcanzándose la selectividad más alta del 55% utilizando partículas cuidadosamente seleccionadas como catalizadores en el proceso de crecimiento de síntesis de deposición de vapor químico. Recientemente, sin embargo, científicos de la Universidad de Pekín, Beijing ha utilizado nanocristales de aleación bimetálica a base de tungsteno como catalizadores para producir directamente quiralidad simple (es decir, ya sea para zurdos o diestros) SWNT con una pureza superior al 92%. Al hacerlo, los investigadores dicen, sus resultados preparan el escenario para un control completo sobre el crecimiento de la quiralidad SWNT, y por lo tanto un mayor desarrollo de aplicaciones SWNT.

La profesora Yan Li habló sobre el artículo que ella y sus coautores publicaron en Naturaleza con Phys.org . "Las propiedades de los SWNT están totalmente determinadas por su estructura, o quiralidad, y en muchas aplicaciones, se requiere que los materiales presenten propiedades uniformes, "Li dice Phys.org . Como ejemplo, ella dice que cuando se usan SWNT para construir transistores de efecto de campo (FET), siempre se espera que todos los SWNT tengan la misma estructura, exhibiendo así el mismo desempeño. "Sin embargo, "Li agrega, "El crecimiento controlado por quiralidad ha sido un gran desafío en el campo durante veinte años, pero hemos desarrollado una nueva estrategia para lograr el objetivo".

Li señala que hay dos factores importantes para reducir la temperatura de aleación:los átomos de tungsteno y cobalto ya están bien mezclados en el precursor, y las partículas son de dimensiones a nanoescala. Respectivamente, su estrategia se basa en una nueva familia de catalizadores, nanocatalizadores de aleación a base de tungsteno, para el crecimiento de nanotubos de carbono. "Estos catalizadores mantienen su estructura cristalizada bajo las temperaturas muy altas necesarias para el crecimiento de nanotubos de carbono, y también exhiben una estructura única que sirve como plantilla de nanotubos de carbono ". La aleación a base de tungsteno se forma a temperaturas extremadamente altas, normalmente muy por encima de los 2000 ° C, lo que requiere instalaciones especiales, ya que es extremadamente difícil realizar este procedimiento utilizando equipo de laboratorio estándar y, además, Li señala, es difícil controlar el tamaño, estructura y morfología de la aleación resultante en tales condiciones. "Usamos un grupo molecular precursor † para obtener nanocatalizadores de nanopartículas de aleación de tungsteno-cobalto (W-Co) a una temperatura moderada de ~ 1000 ° C, "Li dice, "lo que facilitó mucho la producción de SWNT".

La clave para resolver este desafío de crecimiento de SWNT controlado por quiralidad de dos décadas fue, dicho simplemente, una nueva idea. "Aunque se ha realizado un gran esfuerzo para explorar el crecimiento de SWNT selectivo por quiralidad, no se había desarrollado un enfoque eficaz. Esto se debe en parte a que no tenemos suficiente información sobre el mecanismo de crecimiento de SWNT, ", explica." De hecho, es bastante difícil recopilar suficiente información en el lugar durante el proceso de crecimiento de los nanotubos, pero es esta misma información la que puede ayudarnos a comprender el mecanismo. Impulsado por mis más de diez años de experiencia en el crecimiento de SWNT, Tuve una idea novedosa sobre el uso de catalizadores para guiar la estructura de los SWNT ".

Si bien los investigadores han estado investigando enérgicamente el uso de catalizadores para moldear la estructura de SWNT, como lo demuestran los numerosos artículos publicados en esta área, el éxito ha resultado difícil de alcanzar. "Tuvimos éxito, "Li agrega, "porque tenemos dos ideas significativamente diferentes, a saber, reconocimos que los catalizadores con altos puntos de fusión son necesarios para usar el catalizador como plantilla estructural; encontramos la receta adecuada para obtener catalizadores con altos puntos de fusión; nos dimos cuenta de que la estructura única del catalizador es esencial para lograr una alta selectividad y especificidad. Es más, como químicos inorgánicos que conocemos desde hace mucho tiempo sobre los grupos moleculares, sus características y cómo prepararlas, por lo que la idea de utilizar grupos moleculares como precursor de las nanopartículas de aleación de W-Co nos vino de forma natural, resultando en nuestro diseño de la nueva vía para la preparación de nanopartículas de aleación de W-Co ".

En su papel Los científicos dicen que desde el uso de nanocristales de aleación de alto punto de fusión con estructuras optimizadas como catalizadores, se ha demostrado que ha permitido la producción de nanotubos de quiralidad única en abundancia de> 92%, esperan que sus resultados allanen el camino para el control total de la quiralidad en el crecimiento de SWNT, promoviendo así el desarrollo de aplicaciones SWNT. "Según nuestro conocimiento sobre el mecanismo de crecimiento de SWNT y los datos experimentales que ya tenemos, "Li dice, "Estamos seguros de que nuestra estrategia de cultivar SWNT con la estructura y quiralidad deseadas utilizando catalizadores con estructura diseñada y alta estabilidad puede convertirse en un enfoque estándar". Es más, tungsteno, cobalto, planchar, y el níquel abunda, metales baratos, y su fuente de carbono es el etanol, por lo que los costos de producción pueden ser bajos, una ventaja obvia para la comercialización futura.

Una de las aplicaciones potenciales más interesantes es la electrónica. Li señala que la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS) de 2009 seleccionó la nanoelectrónica basada en carbono, incluidos los nanotubos de carbono y el grafeno, como tecnologías prometedoras que apuntan a la demostración comercial en los próximos 10 a 15 años. y así recibir recursos adicionales y mapas de ruta detallados. "Para la aplicación a gran escala de SWNT en nanoelectrónica, "Li señala, "Se desean SWNT con estructura idéntica. Nuestro método de cultivar SWNT con estructura idéntica es, por lo tanto, una parte muy importante del desarrollo de la electrónica basada en nanotubos de carbono".

Citando otro ejemplo, Li señala que el profesor Lianmao Peng y su equipo han demostrado ¹ que los SWNT se pueden utilizar para lograr una multiplicación de fotovoltaje eficiente en células solares basadas en SWNT. Ella señala que los SWNT de estructura idéntica también se pueden usar en tales dispositivos, así que si se usan los nanotubos, Se pueden obtener células solares con fotovoltaje ajustado con precisión. "Definitivamente hay muchas más aplicaciones potenciales, "Li agrega. Ahora tenemos muestras SWNT con estructura idéntica, podemos explorar propiedades más interesantes y posibles aplicaciones que nunca antes habíamos imaginado ".

Li también menciona su uso del paquete de simulación Vienna Ab-initio para simulaciones autoconsistentes de la teoría funcional de la densidad. "La simulación proporciona conocimientos que no están fácilmente disponibles a través de datos experimentales solamente. También puede ayudar a los teóricos a comprender el mecanismo de varios procesos".

Avanzando Li dice:los científicos se centran en tres pasos clave:

• Diseñar más catalizadores para producir SWNT con una gama más amplia de quiralidades.

• Optimización adicional del proceso para mejorar la selectividad de quiralidad, y por tanto pureza

• Explorando la síntesis masiva

Más allá de su propio campo, Li dice Phys.org , hay otras áreas de investigación que podrían beneficiarse de su estudio. "En metalurgia de aleaciones, Nuestra idea de usar algún precursor especial para reducir drásticamente la temperatura de aleación puede ser adoptada porque puede reducir notablemente el consumo de energía, y la temperatura de proceso más baja puede facilitar en gran medida los requisitos de materiales y sistemas de control para los aparatos de producción. Además, El uso de catalizadores de aleación de estructura única para producir moléculas con una estructura prediseñada puede usarse ampliamente en síntesis química. Finalmente, "Li concluye, "Nuestros métodos para caracterizar la composición de la quiralidad SWNT se pueden utilizar en la investigación básica de nanotubos de carbono".

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