(PhysOrg.com) - Air Force Research Laboratory i Dayton, Ohio, har experimentellt bekräftat en teori av Rice University Professor Boris Yakobson som förutsade ett par intressanta egenskaper om nanorörstillväxt:Att kiraliteten hos ett nanorör styr hastigheten på dess tillväxt, och att nanorör i fåtölj ska växa snabbast.

Arbetet är ett säkert steg mot att definiera alla mysterier som ligger i vad Yakobson kallar "DNA -koden för nanorör, " de parametrar som bestämmer deras kiralitet - eller tillväxtvinkel - och därmed deras elektriska, optiska och mekaniska egenskaper. Att utveckla förmågan att odla partier av nanorör med specifika egenskaper är ett kritiskt mål för forskning i nanoskala.

Den nya uppsatsen av Air Force seniorforskare Benji Maruyama; tidigare flygvapnets kollega Rahul Rao, nu vid Honda Research Institute i Ohio; Yakobson och deras medförfattare dök upp den här veckan i onlineversionen av tidskriften Naturmaterial .

Det är en intressant slutsats i en saga som började med en uppsats från 2009 av Yakobson och hans medarbetare. Det pappret, som presenterade den teoretiska fysikerns dislokationsteori om kiralitetskontrollerad tillväxt, beskrev hur nanorör uppstår som om enstaka trådar av atomer väver sig in i de nu välkända kycklingtrådliknande rören. Det väckte också lite kontroverser om exakt vad resultaten betydde.

"Boris fick lite hetta över det, "Sa Maruyama." Det experimentella arbetet där ute indikerade att hans teori kan vara sann, men de kunde inte bekräfta det. Det som är bra med vårt arbete är att det är ganska otvetydigt."

Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik och materialvetenskap och professor i kemi, tog det hela med ro. "Kritiken påverkade ingenting; det var faktiskt den bästa annonsen och motivationen för vidare arbete, " sa han. "Faktiskt, (nanorörspionjär Sumio) Iijima noterade tidigt att 'helicitet kan hjälpa tillväxten'. Vi har förvandlat det till en verifierbar ekvation."

Experimentell bekräftelse av en teori är aldrig slutgiltig utan alltid tillfredsställande, han erkände, och flygvapenlabbet var unikt utrustat för att bevisa kopplingen mellan hastigheten på ett nanorörs tillväxt och dess kirala vinkel.

Kiraliteten hos ett enkelväggigt nanorör bestäms av hur dess kolatomer "rullas". Yakobson har beskrivit det som att rulla ihop en tidning; ibland stämmer typen, och ibland gör det inte det. Den inriktningen bestämmer nanorörens elektriska egenskaper. Metalliska fåtölj nanorör, så namngivna för formen på deras oskyddade kanter, är särskilt önskvärda eftersom elektroner passerar från spets till spets utan motstånd, medan halvledande nanorör är användbara för elektronik, bland andra applikationer.

Rao utvecklade en teknik i Maruyamas labb för att mäta tillväxttakten för enskilda nanorör. "Det är en imponerande installation, "Sa Yakobson. "De kan odla enskilda rör i mycket låg densitet och identifiera deras signaturer - deras kiralitet - och samtidigt mäta hur snabbt de växer."

Tekniken innebar att man monterade katalysatornanopartiklar på mikroskopiska kiselpelare och avfyrade hårt kontrollerade lasrar mot dem. Värme från lasern fick nanorören att växa genom en standardteknik som kallas kemisk ångavsättning, och på samma gång, forskarna analyserade nanorörsväxter via Raman-spektroskopi.

Från spektrat, de kunde berätta hur snabbt ett nanorör växte och vid vilken tidpunkt tillväxten upphörde. Efterföljande elektronmikroskopbilder bekräftade att spektra var från individuella enkelväggiga nanorör, medan kirala vinklar bestämdes genom att jämföra efter tillväxt Raman-spektra och nanorörsdiametrar med Kataura-diagrammet, som kartlägger kiralitet baserat på bandgap och diameter.

De noterade i tidningen att resultaten utgör en grund för vidare forskning om växande specifika typer av nanorör. "Nu när vi vet vad tillväxthastigheten är för ett visst kiralitetsnanorör, man skulle kunna tänka sig att försöka uppnå tillväxt av den specifika kiraliteten genom att påverka tillväxtförhållandena i enlighet därmed, "Sa Rao." Så, i grund och botten, vi har nu en annan "ratt" att vrida på."

"Detta arbete är i ett mycket tidigt utvecklingsstadium, och det handlar om post-nukleation, "Sa Yakobson." Nucleation sätter vad jag tänker på som den genetiska koden - mycket primitiv jämfört med biologi - som avgör kiraliteten och tillväxthastigheten för ett nanorör. "Han sa att det en dag kan vara möjligt att diktera formen av ett nanorör när det börjar bubbla upp från en katalysator, "men det kommer att krävas mycket uppfinningsrikedom."

Yakobson avslöjade en formel förra året som definierade kärnbildningssannolikheten genom kantenergierna för grafen, som i grunden är ett tillskuret och tillplattat nanorör. Men den tidigare och relaterade dislokationsteorin gäller följande tillväxt, och om det bekräftas ytterligare kan det visa sig vara hans mästerverk.

"Dislokationsteorin om tillväxt är elegant och enkel, " sa Rao. "Det är fortfarande för tidigt att säga att det är den enda tillväxtmekanismen, men Boris bör ges mycket beröm för att ha föreslagit denna djärva idé i första hand."