Natuurkundigen laten zien hoe strak ‘dieet’ koolstofnanobuisjes met één chiraliteit kan produceren

Als een giraf die zich uitstrekt naar bladeren aan een hoge boom, kan het maken van koolstofnanobuisjes tijdens het groeien naar voedsel reiken, wat kan leiden tot een lang gezochte doorbraak.

Materiaaltheoretici Boris Yakobson en Ksenia Bets van de George R. Brown School of Engineering van Rice University laten zien hoe het opleggen van beperkingen aan groeiende nanobuisjes een “heilige graal” van groeiende batches met een enkele gewenste chiraliteit zou kunnen vergemakkelijken.

Hun papier in Wetenschappelijke vooruitgang beschrijft een strategie waarmee het beperken van de koolstofgrondstof in een oven zou helpen de “vlieger” -groei van nanobuisjes te beheersen. Bij deze methode begint de nanobuis zich te vormen bij de metaalkatalysator op een substraat, maar tilt de katalysator op terwijl deze groeit, en lijkt op een vlieger aan een touwtje.

De wanden van koolstofnanobuisjes zijn in feite grafeen, het hexagonale rooster van atomen dat in een buis is gerold. Chiraliteit verwijst naar de hoek van de zeshoeken binnen het rooster, tussen 0 en 30 graden. Dat bepaalt of de nanobuisjes van metaal zijn of van halfgeleiders. Het vermogen om lange nanobuisjes in een enkele chiraliteit te laten groeien, zou bijvoorbeeld de fabricage van sterk geleidende nanobuisvezels of halfgeleiderkanalen van transistoren mogelijk maken.

Normaal gesproken groeien nanobuisjes willekeurig met enkele en meerdere wanden en verschillende chiraliteiten. Dat is prima voor sommige toepassingen, maar velen hebben “gezuiverde” batches nodig die centrifugeren of andere kostbare strategieën vereisen om de nanobuisjes te scheiden.

De onderzoekers suggereerden dat heet koolstofvoedingsgas dat door bewegende mondstukken wordt gevoerd, nanobuisjes effectief kan laten groeien zolang de katalysator actief blijft. Omdat buizen met verschillende chiraliteiten met verschillende snelheden groeien, kunnen ze dan op lengte worden gescheiden en kunnen langzamer groeiende typen volledig worden geëlimineerd.

Een extra stap waarbij een deel van de nanobuisjes wordt weggeetst, zou het mogelijk kunnen maken om specifieke chiraliteiten te oogsten, bepaalden ze.

Het laboratorium werken om de mechanismen te definiëren van de groei van nanobuisjes bracht hen ertoe na te denken over de vraag of de groeisnelheid als functie van de chiraliteit van individuele buisjes nuttig zou kunnen zijn. De hoek van “knikken” in de randen van de groeiende nanobuisjes bepaalt hoe energetisch ontvankelijk ze zijn voor het toevoegen van nieuwe koolstofatomen.

“De katalysatordeeltjes bewegen terwijl de nanobuisjes groeien, en dat is vooral belangrijk”, zegt hoofdauteur Bets, een onderzoeker in de groep van Yakobson. “Als je grondstof steeds verder weg beweegt, krijg je een bewegend venster waar je sommige buizen voedt en niet de andere.”

De verwijzing van de krant naar: Lamarck-giraffen– een 19e-eeuwse theorie over hoe ze zulke lange nekken hebben ontwikkeld – is niet helemaal uit het linkerveld, zei Bets.

“Het werkt als een metafoor omdat je je ‘bladeren’ weghaalt en de buizen die het kunnen bereiken snel blijven groeien, en degenen die niet zomaar kunnen uitsterven,” zei ze. “Uiteindelijk zullen alle nanobuisjes die maar een klein beetje traag zijn, ‘sterven’.”

Snelheid is slechts een deel van de strategie. In feite suggereren ze dat nanobuisjes die iets langzamer zijn het doelwit zouden moeten zijn om een ​​oogst van enkele chiraliteiten te verzekeren.

Omdat nanobuisjes met verschillende chiraliteiten in hun eigen tempo groeien, zou een batch waarschijnlijk tiers vertonen. Chemisch etsen van de langste nanobuisjes zou ze afbreken, waardoor het volgende niveau van buizen behouden blijft. Door de grondstof te herstellen, kunnen de nanobuisjes van het tweede niveau blijven groeien totdat ze klaar zijn om te worden geruimd, zei Bets.

“Er zijn drie of vier laboratoriumonderzoeken die aantonen dat de groei van nanobuisjes kan worden teruggedraaid, en we weten ook dat het na het etsen opnieuw kan worden gestart,” zei ze. “Dus alle onderdelen van ons idee bestaan ​​al, ook al zijn sommige lastig. Dicht bij evenwicht, heb je dezelfde verhouding tussen groei en etssnelheden voor dezelfde buizen. Als het allemaal mooi en schoon is, dan kun je absoluut , kies precies de buizen waarop u zich richt.”

Het Yakobson-lab zal ze niet maken, omdat het zich richt op theorie, niet op experimenten. Maar andere laboratoria hebben de Rice-theorieën omgezet in producten zoals: boor buckyballs.

“Ik ben er vrij zeker van dat al onze recensenten experimentatoren waren, en ze zagen geen tegenstrijdigheden om het te laten werken,” zei Bets. “Hun enige klacht was natuurlijk dat ze nu graag experimentele resultaten zouden willen, maar dat is niet wat wij doen.”

Ze hoopt dat meer dan een paar labs de uitdaging zullen aangaan. “In termen van wetenschap is het meestal voordeliger om ideeën aan de menigte te geven,” zei Bets. “Op die manier kunnen degenen die interesse hebben het in 100 verschillende variaties doen en zien welke werkt. Een persoon die het probeert, kan 100 jaar duren.”

Yakobson voegde toe: “We willen niet die ‘kerel’ zijn. We hebben niet zoveel tijd.”