Denna grafik visar skillnaden mellan en fåtölj nanorör, vänster, med en snabbt växande nära fåtölj nanorör, Centrum, som har en enda knäck vid basen. Till höger, en nanorör med flera knäckar är inte lika sannolikt att växa under givna förhållanden, enligt en ny formel för tillväxt av nanorör. Upphovsman:Evgeni Penev
(Phys.org) - Många bra idéer kommer från samtal över en kopp kaffe. Men det är sällsynt och underbart när en uppenbarelse kommer från själva koppen.
Rice University teoretiska fysiker Boris Yakobson, agerade på plötslig inspiration vid ett möte förra året i Arlington, Va., skaffade ett par extra kaffekoppar från en server och en sax och fortsatte med att lägga fram-science fair-style-en idé som kan ha långtgående konsekvenser för nanoteknikindustrin.
Som återspeglas i ett nytt papper i Naturkommunikation , Yakobson och hans Rice -kollegor, postdoktor Vasilii Artyukhov och forskare Evgeni Penev, hade kommit på fröet (eller kanske bean) med en enkel formel som beskriver varför nanorör har kiralitet. Kiralitet är egenskapen som beskriver vinkeln på kolatomens sexkantar som utgör ett nanorörs väggar.
Forskarna sa att kunskapen i slutändan kan tillåta kemister att kontrollera kiraliteten hos hela satser av nanorör när rören odlas.
Kolnanorör är ark av grafen, den enda atomen tjocka formen av kol, rullas in i en cylinder. Vissa typer, kallade fåtölj nanorör-så kallade för deras kanter i linje med varandra-har utmärkt konduktivitet och kan vara nyckeln till förlustfria kraftöverföringskablar. Vrid sexkantarna 30 grader och nanorören blir det som kallas sicksack -typ, en halvledande variant som har stort värde för elektroniska applikationer.
Sicksack, fåtöljer och alla nanorör däremellan definieras av deras chiralitet. Deras elektroniska, kemiska och optiska egenskaper ändras med varje grad mellan noll och 30 som hexagonerna lutar.
Nanorör växer i grupper av många typer, och ingen har ännu hittat ett effektivt sätt att få rör av en enda typ i industriella mängder. Det bästa hoppet för ny teknik som använder nanorör är att ta reda på hur man odlar singelkiralitetspartier.
Den där, det visar sig, kan handla om att balansera två motsatta krafter:energin från katalysator-nanorörkontakten och den hastighet med vilken atomer fäster sig när de tvingar nanoröret att växa nedifrån och upp.
Yakobson och hans kollegor var mest fascinerade av det faktum att, under det senaste decenniet, nanorörstillväxt i flera laboratorier har avslöjat en stark preferens mot versioner nära fåtöljer med minimal chiralitet. Som vuxen, dessa nanorör lutar vid basen medan de fortfarande är fästa vid metallkatalysatorn. "De lutar torn av kol, "Sa Yakobson, även om det skulle ha gjort Pisa avundsjuk eftersom nanorör kan vara tusentals gånger högre än de är breda. Plus, de snurrar när de växer istället för att stå stilla.
"Ur teoretisk synvinkel, det var verkligen ett pussel, "Sade Penev." Varför växer de kirala, och vad kan kontrollera denna typ av kiralitet? "
Yakobson och hans Rice -grupp är specialiserade på teoretisk analys av energi på atomnivå. När professorn, med kopp och sax i handen, skär ett hack i behållaren, allt började ge mening.
"När vi tittade mycket noga på termodynamiken och kinetiken i atomgränssnittet mellan katalysatorn och kroppen hos det växande kolgitteret, vi upptäckte att det finns en balans mellan kontaktens energi och den hastighet med vilken kolatomer kan införas, " han sa.
Kaffekoppar representerar tre typer av kolnanorör som analyserats av teoretiska fysiker vid Rice University. Forskarna bestämde att nästan fåtölj nanorör i en sats växer i största bulk eftersom de hittar den mest gynnsamma balansen mellan energi och hastighet. Nanorör med en större kiral vinkel, som den till höger, är inte lika gynnade eftersom den höga energin i lös kontakt sänker kärnbildningshastigheten. Upphovsman:The Yakobson Group
Forskarna beskrev energi och hastighet som "antagonistiska trender, "när den energiska preferensen lutar mot ett nanorör med platt botten som kramar katalysatorn och resulterar i antingen fåtölj eller sicksack" achirala "rör, medan behovet av hastighet leder till kirala rör.
Den bästa balansen uppnåddes när nanorören visade en enda böjning vid basen, som en tand på en såg, och lämnade den nödvändiga mängden utrymme för atomer att fästa sig och tvinga röret att spiral uppåt.
"Den kritiska detaljen är att kol är lättare att sätta in vid gränssnittet mellan katalysatorn och nanorörkroppen om det finns en lös fläck, "Artyukhov sa." Denna lösa fläck beror alltid på knäcken i grunden, så att säga."
Följaktligen, vid beräkning av tillväxtfördelningen av nanorör i en sats, forskarna fann att de vanligaste nanorören är de som ligger mycket nära fåtöljetyp, särskilt när tillväxt sker vid lägre temperaturer och med en fast katalysator. Högre temperaturer och en flytande katalysator tenderar att producera ett bredare utbud av kirala nanorör. Båda resultaten kan förklaras med formeln, enligt tidningen.
"Faktiskt, en av de mest tillfredsställande sakerna med detta arbete är att all denna komplexitet kan packas in i en mycket enkel matematisk ekvation, "Sa Yakobson." Det hade jag aldrig förväntat mig. "
