¿Cuándo es un círculo menos estable que un bucle dentado? Al parecer, cuando se habla de nanotubos de carbono.

Los investigadores teóricos de la Universidad de Rice han descubierto que los nanotubos con secciones segregadas de facetas en "zigzag" y "sillón" que crecen a partir de un catalizador sólido son mucho más energéticamente estables que lo que sería una disposición circular.

En las circunstancias adecuadas, ellos informaron, la interfaz entre un nanotubo en crecimiento y su catalizador puede alcanzar su estado de energía más bajo conocido a través de la configuración "Janus" de dos caras, con un semicírculo de zigzags frente a seis sillones.

Los términos se refieren a la forma del borde del nanotubo:el extremo de un nanotubo en zigzag parece un diente de sierra, mientras que un sillón es como una fila de asientos con reposabrazos. Son las configuraciones de borde básicas del panal bidimensional de átomos de carbono conocido como grafeno (así como otros materiales 2-D) y determinan muchas de las propiedades de los materiales. especialmente conductividad eléctrica.

El equipo del teórico de materiales de la Escuela de Ingeniería Brown Boris Yakobson, la investigadora y autora principal Ksenia Bets y el profesor asistente de investigación Evgeni Penev informaron sus resultados en la revista American Chemical Society ACS Nano .

La teoría es una continuación del descubrimiento del equipo el año pasado de que es probable que las interfaces Janus se formen en un catalizador de tungsteno y cobalto. conduciendo a una sola quiralidad, llamado (12, 6), que otros laboratorios habían informado que habían crecido en 2014.

El equipo de Rice ahora muestra que tales estructuras no son exclusivas de un catalizador específico, pero son una característica general de varios catalizadores rígidos. Eso es porque los átomos que se adhieren al borde de los nanotubos siempre buscan sus estados de energía más bajos, y lo encuentran en la configuración de Janus que llamaron AZ.

"La gente ha asumido en estudios que la geometría del borde es un círculo, "Dijo Penev." Eso es intuitivo, es normal asumir que el borde más corto es el mejor. Pero encontramos que para los tubos quirales, el borde de Janus ligeramente alargado le permite estar en mucho mejor contacto con los catalizadores sólidos. La energía para esta ventaja puede ser bastante baja ".

En la configuración del círculo, los fondos planos del sillón descansan sobre el sustrato, proporcionando el número máximo de contactos entre el catalizador y el nanotubo, que crece hacia arriba. (Los bordes de Janus los obligan a crecer en ángulo).

Nanotubos de carbono:largos, Tubos enrollados de grafeno:son bastante difíciles de ver con un microscopio electrónico. Hasta el momento no hay forma de observar la base de un nanotubo a medida que crece de abajo hacia arriba en un horno de deposición de vapor químico. Pero los cálculos teóricos de la energía a nivel de átomo que pasa entre el catalizador y el nanotubo en la interfaz pueden decirles mucho a los investigadores sobre cómo crecen.

Ese es un camino que el laboratorio de Rice ha seguido durante más de una década, tirando del hilo que revela cómo pequeños ajustes en el crecimiento de nanotubos pueden cambiar la cinética, y, en última instancia, cómo se pueden utilizar los nanotubos en las aplicaciones.

"Generalmente, la inserción de nuevos átomos en el borde del nanotubo requiere romper la interfaz entre el nanotubo y el sustrato, "Bets dijo." Si la interfaz es estrecha, costaría demasiada energía. Es por eso que la teoría del crecimiento de la dislocación del tornillo propuesta por el profesor Yakobson en 2009 pudo conectar la tasa de crecimiento con la presencia de torceduras, los sitios en el borde de los nanotubos que interrumpen el estrecho contacto entre los nanotubos de carbono y el sustrato.

"Curiosamente, a pesar de que la configuración del borde de Janus permite un contacto muy estrecho con el sustrato, aún conserva un solo pliegue que permitiría el crecimiento continuo de nanotubos. como demostramos el año pasado para el catalizador de tungsteno de cobalto, ", Dijo Bets.

Bets realizó extensas simulaciones por computadora para modelar nanotubos que crecían en tres catalizadores rígidos que mostraban evidencia de crecimiento de Janus y un catalizador "fluido" más. carburo de tungsteno, eso no lo hizo. "La superficie de ese catalizador es muy móvil, para que los átomos puedan moverse mucho, "Dijo Penev." Para ese, no observamos una clara segregación ".

Yakobson comparó los nanotubos de Janus con la forma de cristales de Wulff. "Es algo sorprendente que nuestro análisis sugiera una reestructuración, El borde facetado se favorece energéticamente para los tubos quirales, ", dijo." Asumir que el borde de energía más baja debe ser un círculo de longitud mínima es como asumir que la forma de un cristal debe ser una esfera de superficie mínima, pero sabemos bien que las formas 3-D tienen facetas y las formas 2-D son polígonos. , como personifica la construcción de Wulff.

"El grafeno tiene por necesidad varios lados, 'pero un cilindro de nanotubos tiene un borde, hacer que el análisis energético sea diferente, ", dijo." Esto plantea cuestiones fundamentalmente interesantes y prácticamente importantes sobre la estructura relevante de los bordes de los nanotubos ".

Los investigadores de Rice esperan que su descubrimiento los haga avanzar en el camino hacia esas respuestas. "La implicación inmediata de este hallazgo es un cambio de paradigma en nuestra comprensión de los mecanismos de crecimiento, ", Dijo Yakobson." Eso puede volverse importante en la forma en que uno diseña prácticamente el catalizador para un crecimiento eficiente, especialmente del tipo de simetría de nanotubos controlada, para utilidad electrónica y óptica ".