No importa el abecedario. Los científicos de la Universidad de Rice interesados ​​en los nanotubos están estudiando sus XYΩ.

Los nanotubos de carbono cultivados en un horno no siempre son rectos. A veces se curvan y se retuercen ya veces se ramifican en varias direcciones. Los investigadores de Rice se dieron cuenta de que ahora tenían las herramientas disponibles para examinar qué tan resistentes son esas ramas.

Utilizaron experimentos y simulaciones para estudiar la rigidez de los nanotubos unidos y encontraron diferencias significativas que se definen por sus formas. Resultó que algunos tipos son más duros que otros, y que todos pueden tener su utilidad siempre y cuando se utilicen nanotubos para construir estructuras de macroescala.

El equipo dirigido por el científico de materiales de Rice Pulickel Ajayan y el físico teórico Boris Yakobson nombraron sus nanotubos por sus formas:I por nanotubos rectos, Y para ramificado, X para tubos unidos covalentemente que se cruzan, el símbolo lambda (una "V" invertida) para los nanotubos que se unen en cualquier ángulo y el símbolo omega (Ω) para los tubos no covalentes que se unen a través de van der Waals y otras fuerzas.

Dijeron que la síntesis dirigida de este "alfabeto de nanotubos" puede proporcionar material para futuras estructuras a nanoescala con mecanismos sintonizables.

El estudio fue publicado por la American Chemical Society Nano letras .

"Necesitábamos algún tipo de lenguaje para describir la configuración específica de las uniones, así que pensamos, 'Usemos letras, '", dijo Evgeni Penev, coautor e investigador científico del grupo de Yakobson.

Chandra Sekhar Tiwary, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ajayan, pinchó las uniones de nanotubos con un PicoIndenter que mide la fuerza y ​​el desplazamiento en nanonewtons (mil millonésimas de newton, una unidad de fuerza) y nanómetros. El PicoIndenter se instaló en un microscopio electrónico de barrido en Hysitron, una empresa de fabricación y prueba de instrumentos de prueba nanomecánicos en Minneapolis.

Los nanotubos cultivados por el estudiante graduado de Rice, Sehmus Ozden, se dispersaron en una solución, secado sobre silicio y colocado bajo el microscopio, donde Tiwary los escaneó en busca de "cartas" candidatas. Luego tuvo que asegurarse de que esos candidatos fueran unidades individuales y no solo dos nanotubos separados. "El espacio entre los tubos podría ser tan pequeño como 1 nanómetro, pero la resolución del microscopio fue de 5 nanómetros, así que tuvimos que levantar un lado (de los nanotubos) para asegurarnos de que estuvieran realmente soldados, ", dijo." Si los nanotubos se separan fácilmente, pasamos al siguiente candidato ".

Aplicar la sonda a un punto particular de un nanotubo individual fue una prueba de paciencia, Dijo Tiwary. Una vez que apareció un buen candidato, él y el científico senior y coautor de Hysitron Sanjit Bhowmick se concentraron en el cruce y, más de 20 minutos, aplicó lentamente y liberó suficiente presión para comprimirlo sin romperlo. "En los viejos dias, estas pruebas usaron fuerza bruta, pero las nuevas herramientas son notables, ", Dijo Tiwary." Pudimos observar cómo comprimíamos los nanotubos ".

Entre los tubos unidos atómicamente, encontraron que las X eran las más rígidas y más capaces de recuperarse casi a sus formas originales. Luego vinieron las Y y luego las lambdas en cualquier ángulo, pero todos quedaron con abolladuras debido a los vínculos recién creados entre las paredes internas. Los yoes y omegas sin enlaces covalentes que los unan a otros nanotubos, volvió a sus configuraciones originales.

Los experimentadores recurrieron al estudiante graduado Yang Yang del grupo teórico de Yakobson para ayudar a comprender el mecanismo por el cual los nanotubos manejaban el estrés. Yang creó a nivel de átomo, modelos de computadora de triple pared de cada "letra" y probaron su fuerza con sondas virtuales.

"En experimentos, obtenemos lo que está sucediendo cuantitativamente, pero no pueden decirnos qué está pasando dentro de los tubos, "Dijo Tiwary." Hasta que hicieron los cálculos, realmente no sabíamos cómo se comportaban las uniones de nanotubos de carbono ".

La respuesta tenía que ver con la geometría atómica en las uniones. Donde los nanotubos se unen Los átomos de carbono que normalmente se unen en anillos de seis miembros a menudo se ven obligados a cambiar sus configuraciones, ajustarse a anillos de cinco y siete miembros (conocidos como dislocaciones) para permanecer en el estado de menor energía.

El número de dislocaciones necesarias para hacer una rama de nanotubos es diferente para cada ángulo. Debido a que las dislocaciones se llevan la peor parte de la fuerza, esas variaciones determinan la rigidez general de la letra de nanotubos, ellos determinaron.

Investigaciones anteriores del grupo de Yakobson encontraron que mientras que el grafeno, el átomo de espesor, forma de carbono similar a una malla de gallinero, es extraordinariamente fuerte, no se estira muy bien. Pero las nuevas simulaciones también mostraron que las paredes locales de los nanotubos (que son básicamente grafeno enrollado) se estiran lo suficiente como para distribuir la tensión aplicada a las uniones.

Penev sugirió que las alfombras de nanotubos de ciertas letras podrían tener beneficios materiales. "Imagínese si todos los nanotubos tuvieran forma de 'Y' invertida, ", dijo." Una alfombra así sería mucho más difícil de aplastar bajo presión ".

Una pregunta ahora es si los científicos pueden producir lotes homogéneos de letras. "¿Podemos tener todas las Y y alinearlas perfectamente? ¿O podemos tener todas las interconexiones X y luego hacer una estructura?" Preguntó Tiwary. "Ese será el próximo desafío, pero es solo cuestión de que la gente le dedique tiempo. Soy optimista."