Investigadores del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), han presentado una solución teórica a un misterio duradero del crecimiento de nanotubos de carbono (CNT). Publicado en Cartas de revisión física , Este estudio explica por qué las nanopartículas fabricadas con una aleación de metales ayudan a sintetizar CNT más largos en comparación con los catalizadores monometálicos convencionales.

Los CNT son nanoestructuras tubulares hechas de átomos de carbono con interesantes propiedades potenciales que han mantenido a los investigadores en busca de nuevos avances. Uno de los métodos más comunes para producir CNT implica nanopartículas de catalizador, que tienen la función de facilitar la adición de átomos de carbono de moléculas precursoras a las paredes de los cilindros. Es de conocimiento común en el campo que los catalizadores de aleación, como Ni-Y, Fe-Mo, Cu-Ni, y Co-Mo, superan a otros catalizadores de un solo metal, pero la razón no ha sido clara.

Los investigadores del IBS realizaron una simulación sistemática de dinámica molecular para explorar el papel de los catalizadores de aleación en el crecimiento de CNT. "En una simulación de dinámica molecular, el movimiento de cada átomo se puede ver claramente y, por lo tanto, la variación de la forma y estructura de la partícula de catalizador durante el crecimiento de nanotubos de carbono se puede registrar con precisión. Esto nos permite ir más allá de la capacidad de los mejores métodos experimentales, "explica Feng Ding, un líder de grupo del Centro y autor correspondiente del estudio.

A través de las simulaciones de dinámica molecular, los autores han descubierto que los dos metales de la aleación están separados espacialmente en el borde de los tubos:los CNT tienden a atraer los átomos metálicos más activos al extremo abierto de los cilindros (frente de crecimiento), donde los átomos de carbono se insertan en la pared de CNT durante el crecimiento, mientras que los átomos metálicos menos activos se empujan hacia arriba. Más simulaciones muestran que este es un fenómeno general y se puede aplicar a muchos tipos de catalizadores de aleación.

Los investigadores del IBS también han demostrado que los catalizadores de aleación ganan a las nanopartículas monometálicas porque los átomos de metal activos cerca del borde del CNT atrapan los átomos de carbono con mayor facilidad que los menos activos. Esto conducirá a una mayor concentración de carbono en el sitio vecino del frente de crecimiento de CNT y una rápida adición de átomos de carbono. que contribuyen al rápido crecimiento de la CNT.

Dado que los átomos de carbono se incorporan continuamente a los CNT en crecimiento, los precursores de carbono no se acumulan alrededor de las nanopartículas de aleación. Esto evita la formación de una capa de átomos de carbono que engulle toda la nanopartícula.

"Este estudio teórico aborda un rompecabezas a largo plazo del papel de los catalizadores de aleación en el crecimiento de nanotubos de carbono. Revela la ventaja de utilizar catalizadores de aleación en el crecimiento de nanotubos de carbono, y la separación de fases inducida por contacto del catalizador de aleación puede considerarse como una regla general para guiar el diseño del catalizador para el crecimiento controlable de nanotubos de carbono, "dice Lu Qiu, el primer autor del estudio.