Ny forskning vid Rice University kan i slutändan visa forskare sättet att göra partier av nanorör av en enda typ.

En artikel i nättidningen Fysiska granskningsbrev avslöjar en elegant formel av Rice University-fysikern Boris Yakobson och hans kollegor som definierar energin hos en grafenbit skuren i valfri vinkel.

Yakobson, en professor i maskinteknik och materialvetenskap och i kemi, sa att detta ensamt är signifikant eftersom hur grafen hanterar energi beror på vinkeln - eller kiraliteten - av dess kant, och att lösa den processen för udda vinklar har varit extremt utmanande. Men, han skrev, forskningen har "djupgående implikationer i samband med tillväxt av nanorör, erbjuder rationella sätt att kontrollera sin kirala symmetri, ett lockande men än så länge svårfångat mål."

Grafen är den enatomtjocka formen av kol som har blivit av enormt intresse för dess potential att revolutionera elektronik, optik, avkännings- och mekaniska anordningar. Att få grepp om hur detta kycklingtrådsformade ark av kolatomer transporterar elektricitet har varit i fokus för intensiva studier.

Ett ark grafen med sicksack- eller fåtöljkanter rätar upp fint. Sicksack är metalliska, fåtöljer är halvledare, och deras atomer marscherar i rang, jämnt fördelade, längs kanterna. Hela 30 graders rotation skiljer den ena från den andra.

Men om sexkantarna som utgör ett ark är förskjutna mindre än 30 grader, atomer längs en rak kant är ojämnt fördelade. "Det gör analysen av energin mycket komplicerad, eftersom det är en stor oregelbunden struktur. Det är som buller, " sa Yakobson. "Vi har hittat ett sätt att beräkna energierna i dessa godtyckliga vinklar, " han sa.

Yakobson och hans medförfattare, Yuanyue Liu, en doktorand i sitt labb, och Alex Dobrinsky, en före detta doktorand och nu postdoktor vid Brown University, undrade snart hur dessa fynd tillämpades på kolnanorör.

"Det finns lika många sätt att rulla grafen till ett nanorör som det finns sätt att rulla en tidning, " sa Yakobson. "Texten kan riktas in i omkretsled eller löpa rakt längs axeln eller spiral i vinkel."

När man rullar en tidning gör det svårt att läsa, rullning av kol i ett nanorör gör det relativt lätt att "läsa" dess typ - oavsett om det är fåtölj eller sicksack eller någon variation däremellan. Det som är omöjligt är att kontrollera hur röret ska rulla. Processen tenderar att vara viljelöst, lämnar forskarna uppgiften att separera de nanorör de behöver från huvuddelen genom ultracentrifugering eller andra dyra procedurer.

Yakobson sa att det skulle vara en riktig spelväxlare om de kunde, till exempel, odla partier av rena nanorör för fåtöljer för användning i sådana projekt som fåtölj quantum nanotråd (AQW). Som Rices framlidne Nobelpristagare Richard Smalley föreställde, AQW skulle kunna revolutionera landets elnät genom att bära 10 gånger mängden el som koppar med endast en sjättedel av vikten.

Yakobsons arbete kan öppna en väg att göra det. Ett nanorörs kiralitet bestäms av kombinationen av energier som spelar i dess kärnbildning. "När det bara kommer fram från" ursoppen "av kol, kanten på röret är i huvudsak densamma som kanten på grafen, " han sa.

"I början, det är bara en keps. Det finns ingen stam än. Du steker dessa kapsyler på en stekpanna, och de bubblar, "sa han." Sannolikheten för att olika bubblor ska dyka upp styrs av energi runt kanten. "

Kiraliteten hos det begynnande nanoröret ställs in när atomer i locket själva sätter ihop en sjätte femhörning (nödvändigt för att forma hexagonerna till en kupol). "Det är där vi kan, Jag tror för första gången, göra några kvantitativa bedömningar om hur olika kirala strukturer uppstår, " sa Yakobson.

Det kan vara värt kemisters ansträngningar att titta närmare på energin mellan katalysatorn och kolstrukturen. "Det här har något löfte, " sa han. "Om du kan justera denna inställning, om du kan ändra energi från katalysatorsidan, du ändrar preferensen för kiraliteten. Och då kan du berätta för dessa självmonterande kol, 'Snälla dansa på det här sättet; dansa inte på det sättet."

Yakobson hoppas att det nya arbetet hjälper till att lösa det långvariga problemet med nanorörskiralitet. "I nästan två decennier, vi hade ingen bra förståelse för denna process, " sa han. "Faktiskt, vi hade ingen aning. Jag säger inte att detta är en fullständig lösning, men det här är första gången vi har sett en kvantitativ metod, en ordning i det skenbara kaoset. Det känns bara tillfredsställande.

"Sammanfattningen är enkel. Vi listade ut grafenkanten och överbryggade den till den heliga gralen av nanorör, vilket är kiralitetskontroll. "