En internationell forskargrupps teoretiska simulering av syntesen av enkelväggiga kolnanorör har avslöjat viktiga detaljer om de mekanismer som är igång. Detta kan leda till bättre sätt att kontrollera produktionen av kolnanorör.

Syntesen av kolnanorör (CNT), med tanke på deras industriella produktion, väcker stort vetenskapligt intresse. Deras unika kemiska egenskaper lovar ett brett utbud av banbrytande användningsområden inom akustisk, biomedicinska, elektronisk, miljö, optisk och strukturell teknik.

Leds av professor Stephan Irle från Institute of Transformative Bio-Molecules vid Nagoya University, ett team av forskare i Japan, USA och Kina genomförde datorsimuleringar som visar liknande molekylära mekanismer som fungerar i tillväxten av kolnanorör och förbränning av kolväten för att bilda sot. Denna upptäckt utmanar en tidigare accepterad uppfattning att metallkarbider behövs för att skapa nanorör, genom en process som kallas kemisk ångavsättning.

Teamets egna modeller tyder på att alternativa kemiska processer som väte-bstraktion/acetylentillsats – en mekanism som ofta observeras i förbränningsprocesser – också skulle kunna användas för att odla kolnanorör. "Det här fyndet är väldigt spännande i den meningen att dessa processer länge ansågs fortgå av helt andra mekanismer, säger professor Irle.

Under 2014, teamet rapporterade de första tillväxtsimuleringarna av enkelväggig kolnanorörssyntes, använda acetylen som råmaterial. Deras simuleringsmodell använde acetylen på grund av de relativt låga temperaturer som behövs för att katalysera kemisk ångavsättning, och för att även små mängder påskyndar reaktionerna avsevärt. Enligt forskarna, deras modellering tyder på att acetylens potentiella roll behöver studeras ytterligare, liksom den för närvarande accepterade modellen för produktion av kolnanorör.

Sedan de publicerade sina resultat, forskarna har börjat modellera syntesen av grafen – ett enatomtjockt lager av rent kol – med användning av nickel och koppar med en metankatalysator. De hoppas kunna släppa den nya simuleringsmodellen offentligt – baserad på en direkt version av en kinetisk Monte Carlo-simulering där reaktionskanaler förutsägs automatiskt när tillväxtprocessen fortskrider – under 2015.

Kolnanorör är nanocylindrar som består av en atomtjocka skivor av kol (eller grafen). De används för närvarande som tillsatser för att stärka olika strukturella material, och kan också användas för energilagring såväl som i nästa generation av nanoelektronik och biomedicinska apparater. CNT syntetiseras ofta via kemisk ångavsättning, i vilken kolväteånga avsätts på metallkatalysatorer under ett flöde av icke-reaktiv gas vid höga temperaturer. Dock, kvalitetskontroll är en utmaning eftersom denna metod vanligtvis resulterar i produktion av CNT med varierande diametrar och olika sidoväggsstrukturer.