Att odla ett parti kolnanorör som alla är likadana kanske inte är så enkelt som forskarna hade hoppats, enligt Rice University-forskare.

Rismaterialteoretikern Boris Yakobson och hans team förkastade en teori om att när man odlar nanorör i en ugn, en katalysator med ett specifikt atomarrangemang och symmetri skulle på ett tillförlitligt sätt göra kolnanorör av liknande kiralitet, vinkeln på dess kolatomgitter.

Istället, de fann att katalysatorn i fråga startar nanorör med en mängd olika kirala vinklar men omdirigerar nästan alla mot en snabbväxande variant som kallas (12, 6). Orsaken verkar vara ett Janus-liknande gränssnitt som är sammansatt av fåtölj och sicksacksegment - och i slutändan förändrar hur nanorör växer.

Eftersom kiralitet bestämmer ett nanorörs elektriska egenskaper, förmågan att odla kiralspecifika partier är en helig gral för nanoteknik. Det kan leda till ledningar som till skillnad från koppar eller aluminium, överföra energi utan förlust. Nanorör växer i allmänhet i slumpmässiga kiraliteter.

Den teoretiska Rice-studien i detalj i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver kan vara ett steg mot katalysatorer som producerar homogena partier av nanorör, sa Yakobson.

Yakobson och kollegor Evgeni Penev och Ksenia Bets och doktoranden Nitant Gupta tacklade en gåta som presenterades av andra experimentalister vid en workshop 2013 som använde en legering av kobolt och volfram för att katalysera enkelväggiga nanorör. I det labbets parti, mer än 90 procent av nanorören hade en kiralitet på (12, 6).

Siffrorna (12, 6) är koordinater som hänvisar till ett nanorörs kirala vektor. Kolnanorör är hoprullade ark av tvådimensionell grafen. Grafen är mycket ledande, men när den rullas in i ett rör, dess ledningsförmåga beror på vinkeln – eller kiraliteten – hos dess hexagonala gitter.

Nanorör för fåtöljer – så kallade på grund av den fåtöljliknande formen på deras kanter – har identiska kirala index, gillar (9, 9), och är mycket eftertraktade för sin perfekta konduktivitet. De är till skillnad från sicksack nanorör, som (16, 0), som kan vara halvledare. Att vrida ett grafenark enbart 30 grader kommer att förändra nanoröret det bildar från fåtölj till sicksack eller vice versa.

Penev sa att experimentalisterna förklarade sitt arbete "på ett sätt som var förbryllande från första början. De sa att denna katalysator har en specifik symmetri som matchar (12, 6) kant, så dessa nanorör kärnar företrädesvis och växer. Detta var uppkomsten av den så kallade symmetrimatchningsidén om selektiv tillväxt av kolnanorör.

"Vi läste och smälte att, men vi kunde fortfarande inte lägga tankarna runt det, " han sa.

Strax efter 2013 års konferens, Yakobson-labbet publicerade sin egen teori om tillväxt av nanorör, som visade att balansen mellan två motsatta krafter - energin från kontakten mellan katalysator och nanorör och hastigheten med vilken atomer fäster sig på det växande röret vid gränsytan - är ansvariga för kiralitet.

Fem år senare, det visar sig vara lika sant i deras nya tidning, dock med en twist. Rice-beräkningarna visar att legeringen Co7W6 främjar bildandet av det Janus-liknande gränssnittet som säkerställer den nödvändiga vecken i kanten och tillåter kolatomer att fästa sig på nanorörets fundament. Men katalysatorn tvingar också nanoröret att inkorporera defekter som ändrar dess initiala kiralitet mittströms.

"Vi avslöjade två saker, ", sade Yakobson. "En är att kolatomtyperna vid basen av nanoröret separeras i fåtölj- och sicksacksegment. Den andra är tendensen till bildandet av defekter som driver kiraliteten, eller helicitet, förändra. Det gör (12, 6) en sorts övergående atttraktor, åtminstone under korta experiment. Om de kunde växa för alltid, (12, 6) nanorör skulle så småningom byta till fåtöljer."

Det ovanliga tillväxtmönstret kunde ha diagnostiserats mycket tidigare om det inte vore för ett urgammalt stavfel som krävde en del ihärdigt detektivarbete.

"Problemet låg i en standard onlinedatabas som ger kristallstrukturen för denna kobolt-volframlegering, sa Bets, co-lead författare av tidningen med Penev. "En post var fel. Det förstörde strukturen så illa att vi inte kunde använda den i våra beräkningar av densitetsfunktionella teorin."

När de hittade felet, Bets och medförfattaren Gupta gick tillbaka till den tyska tidningen från 1938 som var den första som korrekt detaljerade strukturen för Co7W6. Även med det i handen, teamets beräkningar använde varje bit av datorkraft de kunde hitta för att simulera de energiska kopplingarna mellan varje atom i katalysatorn och kolråvaran.

"Vi kom på att om vi hade kört beräkningarna i serie istället för parallellt, de skulle ha tagit motsvarande minst 2, 000 år av datortid, " sa Bets.

"Denna uppsats är anmärkningsvärd i många aspekter:i timingen, mängden detaljer och överraskningarna vi hittade, ", sa Penev. "Vi har aldrig haft ett sådant här projekt. Vi vet ännu inte hur detta kommer att tillämpas på andra material, men vi jobbar på det."

"Det finns fyra eller fem experimentella papper, ganska nya, som också visar en förändring av kiralitet under tillväxten, " sa Bets. "Faktiskt, eftersom det är en probabilistisk process, det är i princip oundvikligt. Men hittills har det aldrig beaktats i den teoretiska undersökningen av tillväxt."