(a) Los nanotubos de carbono (CNT) podrían verse como láminas de grafeno gruesas de capa de un solo átomo enrolladas en un cilindro. Las diferentes direcciones de laminación determinan las propiedades de los CNT. (b) Diagrama esquemático que muestra la vida útil de un nanotubo de carbono durante la síntesis de deposición de vapor químico. Los metales de transición (estructura azul) sirven como catalizadores, fundamental para alargar la CNT (izquierda), hasta que la concentración de carbono en la superficie del catalizador sea tan abundante que la nanopartícula quede encapsulada por carbono grafítico o amorfo, formando una "tapa" al final del cilindro y terminando el crecimiento de la CNT (derecha). (c) Imágenes de microscopio electrónico de transmisión ambiental de un CNT tomadas en diferentes momentos durante el crecimiento. El CNT contiene una nanopartícula de cobalto en su extremo superior, una característica típica del crecimiento de las puntas. Crédito:IBS
En un artículo publicado recientemente en Avances de la ciencia , Feng Ding del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional y sus colegas han logrado la creación de un tipo específico de nanotubos de carbono (CNT) con una selectividad del 90 por ciento. y amplió la teoría actual que explica la síntesis de estos prometedores nanocilindros.
Los CNT son nanomateriales increíblemente fuertes y ligeros hechos de carbono con una capacidad de transporte de corriente superior y una conductividad térmica muy alta. haciéndolos ideales para aplicaciones electrónicas. Aunque los CNT se consideran algunos de los materiales más interesantes para el futuro, los científicos todavía están luchando por su síntesis controlable.
La forma de los CNT se puede comparar con los tubos de papel, al igual que se puede crear un cilindro enrollando una hoja de papel, por lo que los CNT se pueden imaginar como una sola capa de grafito enrollada sobre sí misma. Se pueden producir tubos de diferentes formas enrollando un papel alrededor de su lado largo, su lado corto, o diagonalmente en ángulos. Dependiendo de la dirección de rodadura, una capa de grafito puede producir diferentes estructuras de CNT, algunos son conductores y otros son semiconductores; por lo tanto, La creación selectiva de un tipo específico de CNT será clave para futuras aplicaciones. como chips de computadora de bajo consumo. Sin embargo, Los CNT no se producen por laminación, pero crecen nanómetro a nanómetro, añadiendo carbono en el borde de los nanocilindros, un átomo a la vez. Sin embargo, hasta la fecha, el conocimiento sobre el crecimiento de CNT sigue siendo muy limitado y el diseño experimental racional para el crecimiento de tipos específicos de CNT es un desafío.
Uno de los métodos de fabricación más prometedores de los CNT es la deposición química en fase de vapor (CVD). En este proceso, Las nanopartículas de metal combinadas con gases que contienen carbono forman CNT dentro de un horno de alta temperatura. En la punta de los tubos las nanopartículas metálicas juegan un papel crítico como catalizadores:disocian la fuente de carbono de los gases, y ayudar a la unión de estos átomos de carbono a la pared de CNT, alargando los tubos. El crecimiento del CNT termina una vez que la partícula de catalizador es encapsulada por carbono grafítico o amorfo.
Los átomos de carbono se insertan en la interfaz entre un CNT en crecimiento y una nanopartícula catalizadora en los sitios activos del borde. y están disponibles para incorporar nuevos átomos. Un modelo anterior de la tasa de crecimiento de CNT mostró que esta última es proporcional a la densidad de estos sitios activos en la interfaz entre CNT y el catalizador, o la estructura específica de la CNT.
El modelo para el crecimiento de nanotubos de carbono (CNT) en (a) presencia y (b) ausencia de suficientes agentes de grabado. En (a) la mayoría de los átomos de carbono disociados se quitan de la superficie del catalizador mediante agentes de ataque y el crecimiento de CNT dependerá del número de sitios activos (triángulos rojos) o de la estructura del CNT. En (b), en ausencia de agente de grabado, cada átomo de carbono descompuesto tiene que ser parte de la CNT, y por lo tanto, el número de sitios activos o la estructura de la CNT no tiene ningún impacto en la tasa de crecimiento, pero afectará la duración del crecimiento de CNT. Crédito:IBS
En este estudio, Los investigadores monitorearon el crecimiento constante de CNT en un soporte de óxido de magnesio (MgO) con monóxido de carbono (CO) como materia prima de carbono y nanopartículas de cobalto como catalizadores a 700 grados C. Las mediciones experimentales directas de 16 CNT mostraron cómo expandir la teoría anterior. . "Fue sorprendente que la tasa de crecimiento de los nanotubos de carbono solo dependa del tamaño de la partícula del catalizador. Esto implica que nuestro conocimiento previo del crecimiento de los nanotubos de carbono no era completo, "dice Maoshuai He, el primer autor del artículo.
Más específicamente, Los átomos de carbono que se depositan en la superficie de la partícula del catalizador pueden incorporarse en el lado activo del CNT o eliminarse mediante agentes de grabado, como H 2 , H 2 Oh O 2 , o CO 2 . Para explicar las nuevas observaciones experimentales, el equipo incluyó los efectos de la inserción y eliminación de carbono durante el crecimiento de CNT y descubrió que la tasa de crecimiento depende del área de superficie del catalizador y la relación del diámetro del tubo.
"En comparación con el modelo anterior, agregamos tres factores más:la tasa de deposición de precursores, la tasa de eliminación de carbono por agentes de grabado, y la tasa de inserción de carbono en una pared de nanotubos de carbono. Cuando la disociación de la materia prima no se puede equilibrar mediante el grabado con carbono, la tasa de crecimiento de los nanotubos de carbono ya no dependerá de la estructura del nanotubo de carbono. Por otra parte, la teoría anterior sigue siendo válida si el grabado es dominante, "explica Ding, líder de grupo del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional.
Curiosamente, la nueva teoría del crecimiento de CNT conduce a un nuevo mecanismo para hacer crecer selectivamente un tipo específico de CNT, denotado como (2n, n) CNT, que se caracteriza por el número máximo de sitios activos en la interfaz entre el CNT y el catalizador. Esta estructura CNT correspondería a enrollar una hoja de grafito en diagonal en un ángulo de alrededor de 19 grados.
"Si no hay grabado de carbono y el crecimiento de los nanotubos de carbono es lento, se acumularán átomos de carbono en la superficie del catalizador, "dice Jin Zhang, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Pekín, Porcelana. "Esto puede conducir a la formación de carbono grafítico o amorfo, que son mecanismos establecidos de terminación del crecimiento de nanotubos de carbono. En este caso, solo nanotubos de carbono que pueden agregar átomos de carbono en sus paredes, es decir, con el mayor número de sitios activos, puede sobrevivir ".
Guiados por la nueva comprensión teórica, los investigadores pudieron diseñar experimentos que produjeron (2n, n) CNT con una selectividad de hasta el 90 por ciento:el mayor crecimiento selectivo de este tipo de CNT se logró en ausencia de cualquier agente de ataque y con una alta concentración de materia prima.
