Este gráfico muestra la diferencia entre un nanotubo de sillón, izquierda, con un nanotubo cercano al sillón de rápido crecimiento, centrar, que tiene una sola torcedura en su base. A la derecha, un nanotubo con múltiples torceduras no es tan probable que crezca en determinadas condiciones, según una nueva fórmula para el crecimiento de nanotubos. Crédito:Evgeni Penev
(Phys.org) —Muchas grandes ideas surgen de las charlas mientras se toma una taza de café. Pero es raro y maravilloso cuando una revelación proviene de la copa misma.
El físico teórico de la Universidad de Rice, Boris Yakobson, actuando sobre la inspiración repentina en una reunión el año pasado en Arlington, Virginia., obtuvo un par de tazas de café de repuesto de un servidor y un par de tijeras y procedió a diseñar, al estilo de una feria de ciencias, una idea que podría tener implicaciones de gran alcance para la industria de la nanotecnología.
Como se refleja en un nuevo artículo en Comunicaciones de la naturaleza , Yakobson y sus colegas de Rice, el investigador postdoctoral Vasilii Artyukhov y el científico investigador Evgeni Penev, había llegado con la semilla (o tal vez, bean) de una fórmula simple que describe por qué los nanotubos tienen quiralidad. La quiralidad es la propiedad que describe el ángulo de los hexágonos de los átomos de carbono que forman las paredes de un nanotubo.
Los investigadores dijeron que, en última instancia, el conocimiento podría permitir a los químicos controlar la quiralidad de lotes completos de nanotubos a medida que crecen los tubos.
Los nanotubos de carbono son láminas de grafeno, la forma de carbono de un solo átomo de espesor, enrollado en un cilindro. Ciertos tipos, Los llamados nanotubos de sillón, llamados así por la forma en que se alinean sus bordes, tienen una conductividad excelente y pueden ser la clave para cables de transmisión de energía sin pérdidas. Gire los hexágonos 30 grados y los nanotubos se convertirán en lo que se llama tipo zigzag, una variante semiconductora de gran valor para aplicaciones electrónicas.
Zigzags los sillones y todos los nanotubos intermedios se definen por su quiralidad. Su electrónica, Las propiedades químicas y ópticas cambian con cada grado entre cero y 30 en que se inclinan los hexágonos.
Los nanotubos crecen en lotes de muchos tipos, y nadie ha encontrado todavía una forma eficiente de obtener tubos de un solo tipo en cantidades industriales. La mejor esperanza para las nuevas tecnologías que utilizan nanotubos es descubrir cómo cultivar lotes de quiralidad única.
Ese, resulta, puede ser una cuestión de equilibrar dos fuerzas opuestas:la energía del contacto catalizador-nanotubo y la velocidad a la que los átomos se adhieren a sí mismos cuando fuerzan al nanotubo a crecer de abajo hacia arriba.
Yakobson y sus colegas estaban más intrigados por el hecho de que, durante la ultima decada, El crecimiento de nanotubos en varios laboratorios ha revelado una fuerte preferencia hacia las versiones de sillón con mínima quiralidad. Como crecido, estos nanotubos se inclinan en la base mientras aún están unidos al catalizador metálico. "Son torres inclinadas de carbono, "Yakobson dijo, aunque eso habría puesto celosa a Pisa porque los nanotubos pueden ser miles de veces más altos que anchos. Más, giran a medida que crecen en lugar de quedarse quietos.
"Desde el punto de vista de la teoría, fue realmente un rompecabezas, ", Dijo Penev." ¿Por qué crecen quirales, y ¿qué puede controlar este tipo de quiralidad? "
Yakobson y su grupo de Rice se especializan en el análisis teórico de la energía a nivel atómico. Cuando el profesor con taza y tijeras en mano, cortar una muesca en el recipiente, todo empezó a tener sentido.
"Cuando observamos con mucho cuidado la termodinámica y la cinética de la interfaz atómica entre el catalizador y el cuerpo de la red de carbono en crecimiento, descubrimos que existe un equilibrio entre la energía del contacto y la velocidad a la que se pueden insertar los átomos de carbono, " él dijo.
Las tazas de café representan tres tipos de nanotubos de carbono analizados por físicos teóricos de la Universidad de Rice. Los investigadores determinaron que los nanotubos cercanos a un sillón en un lote crecen en mayor volumen porque logran el equilibrio más favorable entre energía y velocidad. Nanotubos con mayor ángulo quiral, como el de la derecha, no son tan favorecidos porque la alta energía del contacto suelto reduce la tasa de nucleación. Crédito:El Grupo Yakobson
Los investigadores describieron la energía y la velocidad como "tendencias antagónicas, "a medida que la preferencia energética se inclina hacia un nanotubo de fondo plano que abraza el catalizador y da como resultado tubos" aquirales "en forma de sillón o en zigzag, mientras que la necesidad de velocidad conduce a tubos quirales.
El mejor equilibrio se logró cuando los nanotubos mostraron un solo pliegue en la base, como un diente en una sierra, y dejó la cantidad necesaria de espacio para que los átomos se unieran y obligaran al tubo a girar en espiral hacia arriba.
"El detalle crítico es que el carbono es más fácil de insertar en la interfaz entre el catalizador y el cuerpo del nanotubo si hay un punto suelto". ", Dijo Artyukhov." Este punto suelto siempre se debe a la torcedura en la base, por así decirlo."
Como consecuencia, al calcular la distribución de crecimiento de los nanotubos en un lote, Los investigadores encontraron que los nanotubos más abundantes son los que están muy cerca del tipo sillón, especialmente cuando el crecimiento tiene lugar a temperaturas más bajas y con un catalizador sólido. Las temperaturas más altas y un catalizador líquido tienden a producir una gama más amplia de nanotubos quirales. Ambos resultados se pueden explicar por la fórmula, según el papel.
"De hecho, Una de las cosas más satisfactorias de este trabajo es que toda esta complejidad se puede empaquetar en una ecuación matemática muy simple, ", Dijo Yakobson." Nunca hubiera esperado eso ".
