En pipefitter vet hur man gör ett exakt snitt på en metallstav. Men det är mycket svårare att tänka sig att få ett exakt snitt på en kolnanorör, med en diameter 1/50, 000:e tjockleken på ett människohår.

I en tidning som publicerades denna månad i den brittiska tidskriften Proceedings of the Royal Society A , forskare vid Brown University och i Korea dokumenterar för första gången hur enkelväggiga kolnanorör skärs, ett fynd som kan leda till att producera mer exakt, nanorör av högre kvalitet. Sådana tillverkningsförbättringar skulle sannolikt göra nanorören mer attraktiva för användning i bilar, biomedicin, elektronik, energi, optik och många andra områden.

"Vi kan nu designa skärhastigheten och diametrarna vi vill skära, sa Kyung-Suk Kim, professor i teknik vid School of Engineering i Brown och motsvarande författare på tidningen.

Grunderna för tillverkning av kolnanorör är kända. Enatomiga tunna grafenark är nedsänkta i lösning (vanligtvis vatten), får dem att se ut som en tallrik med trasslig spagetti. Det röriga knippet av nanorör sprängs sedan av högintensiva ljudvågor som skapar hålrum (eller partiella vakuum) i lösningen. Bubblorna som uppstår från dessa hålrum expanderar och kollapsar så kraftigt att värmen i varje bubblas kärna kan nå mer än 5, 000 grader Kelvin, nära temperaturen på solens yta. Under tiden, varje bubbla komprimeras med en acceleration som är 100 miljarder gånger större än gravitationen. Med tanke på den fantastiska energi som är involverad, det är knappast förvånande att rören kommer ut i slumpmässiga längder. Tekniker använder siktar för att få rör av önskad längd. Tekniken är inexakt, delvis för att ingen var säker på vad som fick rören att spricka.

Materialforskare trodde först att de superheta temperaturerna fick nanorören att rivas. En grupp tyska forskare föreslog att det var de soniska boomlets orsakade av kollapsande bubblor som drog isär rören, som ett rep som drog så våldsamt i varje ände att det så småningom sliter.

Kim, Brown postdoktor Huck Beng Chew, och ingenjörer vid Korea Institute of Science and Technology beslutade att undersöka ytterligare. De skapade komplexa simuleringar av molekylär dynamik med hjälp av en rad superdatorer för att peka ut vad som fick kolnanorören att gå sönder. De upptäckte att istället för att dras isär, som de tyska forskarna trodde, rören komprimerades kraftigt från båda ändarna. Detta orsakade en buckling i en ungefär fem nanometersektion längs rören som kallas kompressionskoncentrationszonen. I den zonen, röret vrids till omväxlande 90-graders vinkelveck, så att den ganska liknar en helix.

Den upptäckten förklarade fortfarande inte helt hur rören skärs. Genom mer datoriserade simuleringar, gruppen lärde sig den mäktiga kraft som utövades av bubblornas ljudbommar som gjorde att atomer sköts från rörets gallerliknande fundament som kulor från ett maskingevär.

"Det är nästan som om en apelsin pressas, och vätskan skjuter ut i sidled, "Sade Kim. "Denna typ av brott genom kompressiv atomutstötning har aldrig observerats tidigare i någon form av material."

Teamet bekräftade de datoriserade simuleringarna genom laboratorietester med sonikering och elektronmikroskopi av enväggiga kolnanorör.

Gruppen lärde sig också att skärning av enkelväggiga kolnanorör med hjälp av ljudvågor i vatten skapar flera veck, eller böjda områden, längs rörens längd. Kinkarna är "mycket attraktiva intramolekylära korsningar för att bygga molekylär elektronik, " skrev forskarna.