Cultivar un lote de nanotubos de carbono que sean todos iguales puede no ser tan simple como esperaban los investigadores. según los científicos de la Universidad de Rice.

El teórico de los materiales de arroz Boris Yakobson y su equipo se opusieron a la teoría de que cuando se cultivan nanotubos en un horno, un catalizador con una disposición atómica específica y simetría haría de manera confiable nanotubos de carbono de quiralidad similar, el ángulo de su red de átomos de carbono.

En lugar de, encontraron que el catalizador en cuestión inicia nanotubos con una variedad de ángulos quirales, pero redirige a casi todos hacia una variante de rápido crecimiento conocida como (12, 6). La causa parece ser una interfaz similar a Janus que se compone de sillones y segmentos en zigzag y, en última instancia, cambia la forma en que crecen los nanotubos.

Debido a que la quiralidad determina las propiedades eléctricas de un nanotubo, la capacidad de cultivar lotes quirales específicos es un santo grial de la nanotecnología. Podría conducir a cables que, a diferencia del cobre o el aluminio, Transmitir energía sin pérdida. Los nanotubos generalmente crecen en quiralidades aleatorias.

El estudio teórico de Rice detallado en la revista American Chemical Society Nano letras podría ser un paso hacia catalizadores que producen lotes homogéneos de nanotubos, Dijo Yakobson.

Yakobson y sus colegas Evgeni Penev y Ksenia Bets y el estudiante de posgrado Nitant Gupta abordaron un enigma presentado por otros experimentadores en un taller de 2013 que utilizaron una aleación de cobalto y tungsteno para catalizar nanotubos de pared simple. En el lote de ese laboratorio, más del 90 por ciento de los nanotubos tenían una quiralidad de (12, 6).

Los números (12, 6) son coordenadas que se refieren al vector quiral de un nanotubo. Los nanotubos de carbono son láminas enrolladas de grafeno bidimensional. El grafeno es muy conductor, pero cuando se enrolla en un tubo, su conductividad depende del ángulo —o quiralidad— de su red hexagonal.

Los nanotubos de sillón, llamados así por la forma de sillón de sus bordes, tienen índices quirales idénticos, como (9, 9), y son muy deseados por su perfecta conductividad. Son diferentes a los nanotubos en zigzag, como (16, 0), que pueden ser semiconductores. Girar una hoja de grafeno apenas 30 grados cambiará el nanotubo que forma de sillón a zigzag o viceversa.

Penev dijo que los experimentadores explicaron su trabajo "de una manera que fue desconcertante desde el principio. Dijeron que este catalizador tiene una simetría específica que coincide con (12, 6) borde, por lo que estos nanotubos se nuclean y crecen preferentemente. Este fue el surgimiento de la llamada idea de emparejamiento de simetría del crecimiento selectivo de nanotubos de carbono.

"Leímos y digerimos eso, pero todavía no pudimos envolver nuestras mentes en eso, " él dijo.

Poco después de la conferencia de 2013, el laboratorio de Yakobson publicó su propia teoría del crecimiento de nanotubos, que mostró que el equilibrio entre dos fuerzas opuestas, la energía del contacto catalizador-nanotubo y la velocidad a la que los átomos se unen al tubo de crecimiento en la interfaz, son responsables de la quiralidad.

Cinco años después, que resulta ser igualmente cierto en su nuevo artículo, aunque con un toque. Los cálculos de Rice muestran que la aleación Co7W6 promueve la formación de una interfaz similar a Janus que asegura la torsión necesaria en el borde y permite que los átomos de carbono se adhieran a la base del nanotubo. Pero el catalizador también obliga al nanotubo a incorporar defectos que alteran su quiralidad inicial a mitad de camino.

"Descubrimos dos cosas, "Yakobson dijo." Una es que los tipos de átomos de carbono en la base del nanotubo se separan en segmentos de sillón y en zigzag. El segundo es la tendencia a la formación de defectos que impulsan la quiralidad, o helicidad, cambio. Eso hace (12, 6) una especie de atractor transitorio, al menos durante experimentos cortos. Si pudieran crecer para siempre, (12, 6) los nanotubos eventualmente se convertirían en sillones ".

El patrón de crecimiento inusual podría haberse diagnosticado mucho antes si no fuera por un error tipográfico antiguo que requirió un trabajo de detective tenaz.

"El problema estaba en una base de datos en línea estándar que proporciona la estructura cristalina de esta aleación de cobalto-tungsteno, "dijo Bets, coautor principal del artículo con Penev. "Una entrada estaba mal. Eso estropeó tanto la estructura que no pudimos usarla en nuestros cálculos de la teoría funcional de la densidad".

Una vez que encontraron el error, Bets y el coautor Gupta volvieron al artículo alemán de 1938 que fue el primero en detallar correctamente la estructura de Co7W6. Incluso con eso en la mano Los cálculos del equipo utilizaron toda la potencia informática que pudieron encontrar para simular las conexiones energéticas entre cada átomo en el catalizador y la materia prima de carbono.

"Descubrimos que si hubiéramos realizado los cálculos en serie en lugar de en paralelo, habrían tomado el equivalente de al menos 2, 000 años de tiempo en la computadora, ", Dijo Bets.

"Este artículo es notable en muchos aspectos:en el momento, la cantidad de detalles y las sorpresas que encontramos, ", Dijo Penev." Nunca hemos tenido un proyecto como este. Todavía no sabemos cómo se aplicará esto a otros materiales, pero estamos trabajando en ello ".

"Hay cuatro o cinco artículos experimentales, bastante recientes, que también muestran un cambio de quiralidad durante el crecimiento, "Bets dijo". De hecho, porque es un proceso probabilístico, es esencialmente inevitable. Pero hasta ahora nunca se ha considerado en la investigación teórica del crecimiento ".