Según los científicos de la Universidad de Rice, cultivar un lote de nanotubos de carbono que sean todos iguales puede no ser tan simple como los investigadores esperaban.
El teórico de materiales de arroz Boris Yakobson y su equipo rechazaron la teoría de que al cultivar nanotubos en un horno, un catalizador con una disposición y simetría atómica específica produciría de manera confiable nanotubos de carbono de quiralidad similar, el ángulo de su red de átomos de carbono.
En cambio, encontraron que el catalizador en cuestión inicia nanotubos con una variedad de ángulos quirales pero los redirige a casi todos hacia una variante de crecimiento rápido conocida como 12,6. La causa parece ser una interfaz similar a Janus que escompuesto por segmentos de sillón y zigzag, y finalmente cambia la forma en que crecen los nanotubos
Debido a que la quiralidad determina las propiedades eléctricas de un nanotubo, la capacidad de producir lotes específicos de quirales es un santo grial de la nanotecnología. Podría conducir a cables que, a diferencia del cobre o el aluminio, transmiten energía sin pérdida. Los nanotubos generalmente crecen en quiralidades aleatorias
El estudio teórico de Rice detallado en la revista American Chemical Society Nano letras dijo Yakobson, podría ser un paso hacia los catalizadores que producen lotes homogéneos de nanotubos.
Yakobson y sus colegas Evgeni Penev y Ksenia Bets y el estudiante graduado Nitant Gupta abordaron un enigma presentado por otros experimentadores en un taller de 2013 que utilizó una aleación de cobalto y tungsteno para catalizar nanotubos de pared simple. En el lote de ese laboratorio, más del 90 por cientode 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 altamente conductor, pero cuando se enrolla en un tubo, su conductividad depende deel ángulo, o quiralidad, de su red hexagonal.
Los nanotubos del sillón, llamados así por la forma de sus bordes en forma de sillón, tienen índices quirales idénticos, como 9,9, y son muy deseados por su conductividad perfecta. Son diferentes a los nanotubos en zigzag, como 16,0, que pueden ser semiconductores. Al girar una lámina de grafeno a solo 30 grados, el nanotubo que se forma cambiará 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 el borde 12,6, por lo que estos nanotubos preferentemente se nuclean y crecen. Este fue elsurgimiento de la llamada idea de coincidencia de simetría del crecimiento selectivo de nanotubos de carbono.
"Leímos y digerimos eso, pero aún no pudimos entenderlo", 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-nanotubos y la velocidad a la que los átomos se unen al tubo de crecimientoen la interfaz: son responsables de la quiralidad.
Cinco años más tarde, eso resulta ser igual de cierto en su nuevo artículo, aunque con un giro. Los cálculos de Rice muestran que la aleación Co7W6 promueve la formación de una interfaz similar a Janus que garantiza el doblez necesario en el borde ypermite que los átomos de carbono se adhieran a la base del nanotubo, pero el catalizador también obliga al nanotubo a incorporar defectos que alteren su quiralidad inicial en la mitad de la corriente.
"Descubrimos dos cosas", dijo Yakobson. "Una es que los tipos de átomos de carbono en la base del nanotubo se separan en segmentos de sillón y zigzag. La segunda es la tendencia a la formación de defectos que provocan la quiralidad o helicidad, cambio. Eso hace que 12,6 sea una especie de atractor transitorio, al menos durante experimentos cortos. Si pudieran crecer para siempre, 12,6 los nanotubos eventualmente cambiarían a 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 obstinado
"El problema estaba en una base de datos en línea estándar que da la estructura cristalina de esta aleación de cobalto-tungsteno", dijo Bets, coautor principal del artículo con Penev. "Una entrada estaba equivocada. Eso estropeó tanto la estructuraque no podríamos usarlo en nuestros cálculos de teoría funcional de 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 encontrarpara 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 documento 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 será estoaplicable a otros materiales, pero estamos trabajando en ello "
"Hay cuatro o cinco artículos experimentales, muy recientes, que también muestran un cambio de quiralidad durante el crecimiento", dijo Bets. "De hecho, debido a que es un proceso probabilístico, es esencialmente inevitable. Pero hasta ahora nunca se ha consideradoen la investigación teórica del crecimiento "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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