(Phys.org) – Kol – den kemiska grunden för allt känt liv och ett grundämne känt så långt tillbaka som på 800-talet f.Kr. – finns i en rad olika former, eller allotroper , med anmärkningsvärt olika egenskaper. (Diamant, till exempel, är transparent och extremt hårt tetraedriskt gitter som leder elektricitet dåligt men är en utmärkt värmeledare. Grafit, å andra sidan – en måttlig elektrisk ledare – är en mjuk, svart, flagnande fast form bildad av ark av platta hexagonala gitter kända som grafen .) Bland kolets allotroper, kolnanorör är cylindriska grafenbaserade nanostrukturer med egenskaper centrala inom många områden inom materialvetenskap och teknik. Särskilt, enkelväggiga kolnanorör (SWNT) är kolnanorör vars egenskaper förändras med deras kiralitet - det är, arrangemanget av kolatomerna, som är baserad på rördiameter och lindningsvinkel enligt vad som är känt som deras ( n, m ) värde. Dessa varianter beter sig antingen som elektriska ledare eller halvledare med olika bandgap (energiområdet i ett fast ämne där inga elektrontillstånd kan existera), vilket gör dem extremt önskvärda för nanoelektroniktillämpningar. Även om denna egenskap beror på att SWVT:erna alla är i kiral form eller den andra, det har historiskt varit mycket svårt att selektivt odla en form ensam, med den högsta selektiviteten på 55 % som uppnås med noggrant utvalda partiklar som katalysatorer i tillväxtprocessen för kemisk ångavsättningssyntes. Nyligen, dock, forskare vid Pekings universitet, Peking har använt volframbaserade bimetalliska nanokristaller som katalysatorer för att direkt producera singelkiralitet (det vill säga antingen vänster- eller högerhänta) SWNTs med en renhet på mer än 92 %. Genom att göra så, forskarna säger, deras resultat satte scenen för fullständig kontroll över SWNT-kiralitetstillväxt, och därmed ytterligare SWNT-applikationsutveckling.

Prof. Yan Li diskuterade tidningen hon och hennes medförfattare publicerade i Natur med Phys.org . "Egenskaperna hos SWNTs bestäms helt av deras struktur, eller kiralitet – och i många applikationer, det krävs att material har enhetliga egenskaper, " berättar Li Phys.org . Som ett exempel, hon säger att när man använder SWNT för att bygga fälteffekttransistorer (FET), man har alltid hoppats att alla SWNT:er har identisk struktur, därigenom uppvisar samma prestanda. "Dock, " tillägger Li, "Chiralitetskontrollerad tillväxt har varit en stor utmaning på området i tjugo år – men vi har utvecklat en ny strategi för att förverkliga målet."

Li noterar att det finns två faktorer som är viktiga för att minska legeringstemperaturen:volfram- och koboltatomer är redan väl blandade i prekursorn, och partiklarna är av nanoskala dimensioner. Följaktligen, deras strategi är baserad på en ny familj av katalysatorer – volframbaserade legeringsnanokatalysatorer – för tillväxt av kolnanorör. "Dessa katalysatorer bibehåller sin kristalliserade struktur under de mycket höga temperaturer som behövs för tillväxt av kolnanorör, och uppvisar också en mycket unik struktur som fungerar som en kolnanorörsmall." Den volframbaserade legeringen bildas vid extremt hög temperatur - normalt långt över 2000°C - vilket kräver speciella faciliteter, eftersom det är extremt svårt att utföra denna procedur med standard laboratorieutrustning – och dessutom, Li påpekar, det är svårt att kontrollera storleken, struktur och morfologi hos den resulterande legeringen under sådana förhållanden. "Vi använde ett molekylärt prekursorkluster† för att erhålla nanokatalysatorer av nanopartikellegering av volfram-kobolt (W–Co) vid den måttliga temperaturen på ~1000°C, "Li säger, "vilket gjorde SWNT-produktionen mycket enklare."

Nyckeln till att lösa denna två decennium gamla chiralitetskontrollerade SWNT-tillväxtutmaningen var, enkelt sagt, en ny idé. "Även om omfattande ansträngningar har gjorts för att utforska chiralitetsselektiv SWNT-tillväxt, inget effektivt tillvägagångssätt hade utvecklats. Detta beror delvis på att vi inte har tillräcklig insikt i SWNT-tillväxtmekanismen, " förklarar hon. "Ja, det är ganska svårt att samla in tillräckligt med information på plats under nanorörets tillväxtprocess – men det är just denna information som kan hjälpa oss att förstå mekanismen. Drivs av min mer än tio års erfarenhet av SWNT-tillväxt, Jag hade en ny idé om att använda katalysatorer för att styra strukturen för SWNT."

Medan forskare kraftigt har undersökt användningen av katalysatorer för att malla SWNTs struktur – vilket framgår av de många artiklar som publicerats på detta område – har framgången visat sig svårfångad. "Vi lyckades, " tillägger Li, "eftersom vi har två väsentligt olika idéer – nämligen, vi insåg att katalysatorer med höga smältpunkter är nödvändiga för att använda katalysatorn som strukturell mall; vi hittade rätt recept för att få katalysatorer med höga smältpunkter; vi insåg att den unika strukturen hos katalysatorn är avgörande för att uppnå hög selektivitet och specificitet. Dessutom, som oorganiska kemister har vi länge känt till molekylära kluster, deras egenskaper och hur man förbereder dem – så idén att använda molekylära kluster som föregångare för W-Co-legeringsnanopartiklar kom naturligt för oss, vilket resulterade i att vi designade den nya vägen för att förbereda nanopartiklar av W-Co-legering."

I deras tidning, forskarna säger att sedan användningen av högsmältande legerade nanokristaller med optimerade strukturer som katalysatorer bevisligen har tillåtit produktion av enkelkiralitets nanorör i ett överflöd av> 92 %, de förväntar sig att deras resultat kommer att bana väg för total chiralitetskontroll i SWNT-tillväxt, därigenom främja utvecklingen av SWNT-applikationer. "Baserat på vår förståelse om SWNT-tillväxtmekanismen och de experimentella data vi redan har, "Li säger, "vi är övertygade om att vår strategi att odla SWNTs med önskad struktur och kiralitet med hjälp av katalysatorer med designad struktur och hög stabilitet kan bli en standardmetod." Dessutom, volfram, kobolt, järn, och nickel är rikligt, billiga metaller, och deras kolkälla är etanol, så produktionskostnaderna kan vara låga – en uppenbar fördel för framtida kommersialisering.

En av de mest spännande potentiella tillämpningarna är inom elektronik. Li påpekar att 2009 års International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) valde ut kolbaserad nanoelektronik – inklusive kolnanorör och grafen – som lovande teknologier inriktade på kommersiell demonstration under den kommande 10-15-årshorisonten, och så att få ytterligare resurser och detaljerad vägkartläggning. "För storskalig tillämpning av SWNTs i nanoelektronik, "Li påpekar, "SWNT med identisk struktur önskas. Vår metod att odla SWNT med identisk struktur är därför en mycket viktig del av utvecklingen av kolnanorörsbaserad elektronik."

Med ett annat exempel, Li noterar att Prof. Lianmao Peng och hans team har visat ¹ att SWNT kan användas för att uppnå effektiv fotospänningsmultiplikation i SWNT-baserade solceller. Hon noterar att strukturidentiska SWNT:er också kan användas i sådana enheter, så om nanorören används, solceller med noggrant justerad fotospänning kan erhållas. "Det finns definitivt mycket fler potentiella applikationer, ", tillägger Li. Nu har vi SWNT-prover med identisk struktur, vi kan utforska mer intressanta egenskaper och möjliga tillämpningar som vi aldrig tidigare kunde föreställa oss."

Li nämner också deras användning av Vienna Ab-initio Simulation Package för självkonsekventa densitetsfunktionella teorisimuleringar. "Simulering ger insikter som inte är lätt tillgängliga endast genom experimentella data. Det kan också hjälpa teoretiker att förstå mekanismen för olika processer."

Går vidare, Li säger, forskarna är fokuserade på tre nyckelsteg:

• Utforma fler katalysatorer för att producera SWNT med ett bredare utbud av kiraliteter

• Ytterligare optimera processen för att förbättra chiralitetsselektiviteten, och därför renhet

• Utforska bulksyntes

Utöver sitt eget område, Li berättar Phys.org , det finns andra forskningsområden som kan dra nytta av deras studie. "Inom legeringsmetallurgi, Vår idé att använda någon speciell prekursor för att dramatiskt sänka legeringstemperaturen kan antas eftersom det kan anmärkningsvärt minska energiförbrukningen – och den lägre processtemperaturen kan avsevärt underlätta material- och styrsystemkraven för produktionsapparater. Dessutom, Användning av legeringskatalysatorer med unik struktur för att producera molekyler med en fördesignad struktur kan användas i stor utsträckning i kemisk syntes. Till sist, "Li avslutar, "våra metoder för att karakterisera SWNT-kiralitetskomposition kan användas i grundläggande kolnanorörsforskning."

© 2014 Phys.org