en un artículo publicado recientemente en Avances científicos , Feng Ding del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional, dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS, Corea del Sur y sus colegas, han logrado la creación de un tipo específico de nanotubos de carbono CNT con una selectividad del 90%, yexpandió la teoría actual que explica la síntesis de estos prometedores nanocilindros.
Los CNT son nanomateriales increíblemente fuertes y livianos hechos de carbono con una capacidad de carga de corriente superior y una conductividad térmica muy alta, lo que los hace ideales para aplicaciones electrónicas. Aunque los CNT se consideran algunos de los materiales más interesantes para el futuro, los científicos aún luchan porsu síntesis controlable
La forma de los CNT se puede comparar con los tubos de papel: de la misma manera que se puede crear un cilindro enrollando una hoja de papel, de modo que los CNT se pueden imaginar como una sola capa de grafito enrollada sobre sí misma. De manera similar, como diferenteSe pueden producir tubos enrollando un papel alrededor de su lado largo, su lado corto o diagonalmente en diferentes ángulos. Dependiendo de la dirección de rodadura, una capa de grafito puede producir diferentes estructuras CNT, algunas son conductoras y otras son semiconductoras, creando así selectivamente unUn tipo específico de CNT será clave para su uso futuro, como la construcción de chips de computadora con eficiencia energética. Sin embargo, los CNT no se producen por laminación, sino que se cultivan nanómetro tras nanómetro, agregando carbono en el borde de los nanocilindros, un átomo a la vez.A pesar de varios estudios realizados durante las últimas tres décadas, la comprensión sobre el crecimiento de la CNT sigue siendo muy limitada y el diseño experimental racional para el crecimiento de tipos específicos de CNT es un desafío.
Uno de los métodos de fabricación más prometedores para CNT es la deposición química de vapor CVD. En este proceso, las nanopartículas metálicas combinadas con gases que contienen carbono forman CNT dentro de un horno de alta temperatura. En la punta de los tubos, el metalLas nanopartículas juegan un papel crítico como catalizadores: disocian la fuente de carbono de los gases y ayudan a la unión de estos átomos de carbono a la pared de la CNT, haciendo que los tubos sean cada vez más largos. El crecimiento de la CNT termina una vez que la partícula del catalizador es encapsulada porCarbono grafito o amorfo.
Los átomos de carbono se insertan en la interfaz entre una CNT en crecimiento y una nanopartícula de catalizador, en 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 deestos sitios activos en la interfaz entre CNT y el catalizador, o la estructura específica de la CNT.
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 700o C. Las mediciones experimentales directas de 16 CNT mostraron cómoexpandir 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 nuestra comprensión previa sobre el crecimiento de los nanotubos de carbono no fue completa", dice Maoshuai He, el primer autor deel papel.
Más específicamente, los átomos de carbono que se depositan en la superficie de la partícula del catalizador pueden incorporarse en el lado activo de la CNT o eliminarse mediante agentes de grabado, como H2, H2O, O2 o CO2. Para explicar las nuevas observaciones experimentales,El equipo incluyó los efectos de la inserción y eliminación de carbono durante el crecimiento de la CNT y descubrió que la tasa de crecimiento depende de la 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 los 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 puede ser equilibrada por el carbonograbado, la tasa de crecimiento de nanotubos de carbono ya no dependerá de la estructura del nanotubo de carbono. Por otro lado, la teoría anterior sigue siendo válida si el grabado es dominante ", explica Ding, líder del grupo del Centro de Carbono MultidimensionalMateriales
Curiosamente, la nueva teoría del crecimiento de la CNT conduce a un nuevo mecanismo para hacer crecer selectivamente un tipo específico de CNT, denominado 2n, n CNT, que se caracteriza por el número máximo de sitios activos en la interfaz entre la CNT yel catalizador. Esta estructura CNT correspondería a enrollar una lámina de grafito diagonalmente en un ángulo de alrededor de 19 grados.
"Si no hay grabado de carbono y el crecimiento de los nanotubos de carbono es lento, los átomos de carbono en la superficie del catalizador se acumularán", dice Jin Zhang, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Pekín, China. "Esto puede conducir ala formación de carbono grafito o amorfo, que son mecanismos establecidos de terminación del crecimiento de nanotubos de carbono. En este caso, solo los nanotubos de carbono que pueden agregar átomos de carbono en sus paredes, es decir, con el mayor número de sitios activos, pueden sobrevivir ".
Guiados por la nueva comprensión teórica, los investigadores pudieron diseñar experimentos que produjeron 2n, n CNT con una selectividad de hasta 90%: el mayor crecimiento selectivo de este tipo de CNT se logró en ausencia de grabadoagente y con una alta concentración de materia prima.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :