(Phys.org) -- Klämda nanorör kan vara mogna med nya möjligheter för forskare, enligt en ny studie från Rice University.

Forskare vid Rices Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology har kommit med en uppsättning fakta och siffror om kolnanorör som verkar kollapsa under tillväxtprocessen; de fann att dessa unika konfigurationer har egenskaper för både nanorör och grafen nanorband.

Det som forskarna kallar "nanoband av grafen med sluten kant" kan kickstarta forskning om deras användbarhet i elektronik- och materialtillämpningar.

Det banbrytande arbetet ledd av Robert Hauge, en framstående fakultetsstipendiat i kemi vid Rice, beskrivs i ett papper som dök upp online denna månad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

"Ett kollapsat nanorör ser mycket ut som grafen i mitten, men precis som buckyballs (kol-60 molekyler, en Nobelprisvinnande upptäckt vid Rice) på sidorna, sa Hauge. "Det betyder att du har grafenens kemi i mitten och kemin av buckyballs på kanterna. Och du kan separera de två elektroniskt genom att sätta funktionella grupper på sidorna för att isolera de övre och nedre lagren.

"Om du gör kantkemi som förvandlar sidorna till isolatorer, då kommunicerar inte toppen med botten elektroniskt, förutom genom någon interaktion av van der Waals-typ eller upphetsat tillstånd, " sa han. "Det är därifrån den nya fysiken och kanske elektroniska egenskaper kommer."

Fyndet kan leda till ordningsföljd, två eller fyra lager grafen nanoband med perfekta kanter, en produkt som är svår att uppnå genom att öppna eller på annat sätt skära nanorör. "Grafenvärlden letar efter sätt att göra väldefinierade band, sa Hauge. "De måste alltid skära upp grafen och sluta med dåligt definierade sidor som påverkar deras elektroniska egenskaper. Dessa har fördelen av en mycket bättre definierad kant."

Hauges medvetenhet om tidigare arbete med nanorörskollaps ledde till att han studerade fenomenet. "Jag har varit intresserad av att odla nanorör med större diameter, baserat på katalysatorns partikelstorlek, ett tag nu, " sa han. "Vi trodde att de kunde kollapsa, så vi började leta efter bevis.”

Teamet upptäckte att veck, vridningar och veck i nanorör sett genom ett transmissionselektronmikroskop och mätt genom ett atomkraftmikroskop var goda indikatorer på kollapsade nanorör. Dessa nanorör var cirka 0,7 nanometer i höjd längs mitten och lite mer vid vad forskarna kallade de "högt ansträngda glödlamporna" vid kanterna. Men att hitta tillplattade rör visade inte hur de blev så.

Hauge kontaktade Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson för att se hur den inneboende energin hos atomer i grafen – en av hans specialiteter – skulle tillåta en sådan kollaps att hända. Yakobson satte doktoranden och medförfattaren Ksenia Bets på fallet.

"Ursprungligen, vi trodde att detta skulle vara ett litet och enkelt problem, och det visade sig vara enkelt – men inte så litet, " sa Bets. Med hjälp av molekylär dynamisk simulering, hon anpassade data från experimentalisterna till atomistiska modeller av enkelväggiga nanorör. "Och sedan, använder samma parametrar, Jag tog fram resultat för dubbla väggar, och de passar också exakt med experimentdata."

Resultaten som samlats in under sex månader bekräftade sannolikheten att vid tillväxttemperatur – 750 grader Celsius – skulle flexibla nanorör som fladdrade i gasbrisen inuti en ugn verkligen kunna få dem att kollapsa. Om två atomer på vardera sidan av innerväggen kommer tillräckligt nära varandra, de kan starta en van der Walls-kaskad som plattar ut nanoröret, Sade Bets.

"Först, det tar energi att trycka på nanoröret, men du når en punkt där de två sidorna börjar känna varandra, och de börjar få attraktionsenergin, sa Hauge. "Van der Waals-styrkan tar över, och rören föredrar då att kollapsa."

Han sa att energin som krävs för att kollapsa ett nanorör minskar när rörets diameter ökar. "Det är som ett sugrör, " sa han. "För ett enkelväggigt nanorör, ju större blir det, desto lättare är det att förvränga.”

Mer betydelsefulla var beräkningar som bestämde de specifika diametrarna vid vilka nanorör blir benägna att kollapsa. Det finns en poäng, Hauge sa, där ett nanorör kan gå åt båda hållen, så spridningen av nanorör till nanorband i en sats med en viss diameter bör vara ungefär lika stor. När diametern ökar, balansen skiftar till bandens fördel.

"Det är ett slutspel mellan belastningsenergin på kanterna och van der Walls interaktion i mitten, " sa han. Specifikt, de fann att fristående enkelväggsrör blir mottagliga att kollapsa när de är minst 2,6 nanometer i diameter - vad forskarna kallade "energiekvivalenspunkten." Teorin dikterar att diametern skulle sjunka till 1,9 nanometer för ett enkelväggigt rör som sitter på en grafenyta, han sa, på grund av ytterligare atomär interaktion med substratet.

Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, " sa han. “That’s the tipping point. Anything above, energiskt, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, " sa han. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, " sa han. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”