(Phys.org) -- Vid rätt temperatur, med rätt katalysator, det finns ingen anledning till ett perfekt enkelväggigt kolnanorör 50, 000 gånger tunnare än ett människohår kan inte odlas en meter långt.

Den beräkningen är ett resultat av en studie av medarbetare på Rice, Hong Kong Polytechnic och Tsinghua universitet som utforskade den självläkande mekanismen som kunde göra en sådan extraordinär tillväxt möjlig. Det är viktigt för forskare som ser högkvalitativa kolnanorör som avgörande för avancerade material och, om de kan vävas till långa kablar, kraftfördelning över framtidens nät.

Rapporten publicerad online av Fysiska granskningsbrev är av Rice teoretisk fysiker Boris Yakobson; Feng Ding, en adjungerad biträdande professor vid Rice och en biträdande professor vid Hong Kong Polytechnic; huvudförfattare Qinghong Yuan, en postdoktor vid Hong Kong Polytechnic; och Zhiping Xu, professor i ingenjörsmekanik vid Tsinghua och tidigare postdoktor vid Rice.

De fastställde att järn är den bästa och snabbaste bland vanliga katalysatorer för att läka topologiska defekter – ringar med för många eller för få atomer – som oundvikligen bubblar upp under bildandet av nanorör och påverkar deras värdefulla elektroniska och fysikaliska egenskaper. Rätt kombination av faktorer, främst temperatur, leder till kinetisk läkning där kolatomer som gått vilse omdirigeras för att bilda de energimässigt gynnsamma hexagonerna som utgör nanorör och deras platta kusin, grafen. Teamet använde densitetsfunktionsteori för att analysera de energier som krävs för transformationen.

"Det är förvånande att läkningen av alla potentiella defekter - femhörningar, heptagoner och deras par - under kolnanorörstillväxt är det ganska lätt, sa Ding, som var forskare i Yakobson's Rice lab från 2005 till 2009. "Endast mindre än en-10 miljarder kan överleva ett optimalt tillväxttillstånd. Graden av defektläkning är fantastisk. Om vi ​​tar hexagoner som bra och andra som onda, det skulle bara finnas en skurk på jorden."

Energierna förknippade med varje kolatom bestämmer hur den hittar sin plats i den kycklingtrådsliknande formen av ett nanorör, sa Yakobson, Rices Karl F. Hasselmann lärostol i teknik och professor i materialvetenskap och maskinteknik och i kemi. Men det har varit en lång debatt bland forskare om vad som faktiskt händer i gränsytan mellan katalysatorn och ett växande rör.

"Det har funnits två hypoteser, " sa Yakobson. "En populär sådan var att defekter skapas ganska ofta och kommer in i rörets vägg, men sedan härdar de senare. Det finns någon form av fixeringsprocess. En annan hypotes är att de i princip inte bildas alls, vilket låter ganska orimligt.

”Det här var bara prat; det gjordes ingen kvantitativ analys. Och det är där detta arbete ger ett viktigt bidrag. Den utvärderar kvantitativt, baserat på toppmoderna beräkningar, specifikt hur snabbt denna glödgning kan ske, beroende på plats, " sa han.

Ett nanorör växer i en ugn när kolatomer tillsätts, en och en, vid katalysatorn. Det är som att först bygga toppen av en skyskrapa och lägga till tegelstenar i botten. Men eftersom dessa tegelstenar läggs till i en rasande takt – miljoner på några minuter – kan misstag hända, ändra strukturen.

I teorin, om en ring har fem eller sju atomer istället för sex, det skulle skeva hur alla efterföljande atomer i kedjan orienterar sig; en isolerad femhörning skulle förvandla nanoröret till en kon, och en heptagon skulle förvandla den till ett horn, sa Yakobson.

Men beräkningar visade också att sådana isolerade defekter inte kan existera i en nanorörvägg; de skulle alltid dyka upp i 5/7 par. Det gör en snabbfix lättare:Om en atom kan uppmanas att flytta från halvkanten till femhörningen, båda ringarna kommer upp sexor.

Forskarna fann att mycket övergång sker bäst när kolnanorör odlas vid temperaturer runt 930 kelvin (1, 214 grader Fahrenheit). Det är det optimala för läkning med en järnkatalysator, som forskarna fann har den lägsta energibarriären och reaktionsenergin bland de tre vanliga katalysatorerna, inklusive nickel och kobolt.

När en 5/7 bildas vid gränsytan mellan katalysatorn och det växande nanoröret, läkning måste ske mycket snabbt. Ju ytterligare nya atomer trycker in defekten i nanorörsväggen, desto mindre sannolikhet är det att bli läkt, de bestämde; mer än fyra atomer bort från katalysatorn, defekten är låst.

Noggrann kontroll av de förhållanden under vilka nanorör växer kan hjälpa dem att korrigera sig själv i farten. Fel i atomplacering fångas upp och fixas på en bråkdel av en millisekund, innan de blir en del av nanorörsväggen.

Forskarna fastställde också genom simuleringar att ju långsammare tillväxten, desto längre kan ett perfekt nanorör vara. Ett nanorör som växer cirka 1 mikrometer per sekund vid 700 kelvin kan potentiellt nå metermilstolpen, de hittade.