Forskare från Rice University har fastställt att en udda, Tvåsidig "Janus"-kant är vanligare än man tidigare trott för kolnanorör som växer på en stel katalysator. Det konventionella nanoröret till vänster har facetter som bildar en cirkel, låter nanoröret växa rakt upp från katalysatorn. Men de upptäckte nanoröret till höger, med en lutad Janus-kant som har åtskilda sektioner av sicksack och fåtöljkonfigurationer, är mycket mer energiskt gynnad när man odlar kolnanorör via kemisk ångavsättning. Kredit:Evgeni Penev/Rice University
När är en cirkel mindre stabil än en ojämn slinga? Tydligen när du pratar om kolnanorör.
Rice Universitys teoretiska forskare har upptäckt att nanorör med segregerade sektioner av "sickzag" och "fåtölj"-facetter som växer från en solid katalysator är mycket mer energiskt stabila än ett cirkulärt arrangemang skulle vara.
Under rätt omständigheter, de rapporterade, gränssnittet mellan ett växande nanorör och dess katalysator kan nå sitt lägsta kända energitillstånd via den tvåsidiga "Janus"-konfigurationen, med en halvcirkel av sicksack mitt emot sex fåtöljer.
Termerna hänvisar till formen på nanorörets kant:En sicksackad nanorörs ände ser ut som en sågtand, medan en fåtölj är som en sätesrad med armstöd. De är de grundläggande kantkonfigurationerna av den tvådimensionella bikakan av kolatomer som kallas grafen (liksom andra 2D-material) och bestämmer många av materialens egenskaper, speciellt elektrisk ledningsförmåga.
Brown School of Engineering-teamet av materialteoretiker Boris Yakobson, forskare och huvudförfattare Ksenia Bets och biträdande forskningsprofessor Evgeni Penev rapporterade sina resultat i American Chemical Society journal ACS Nano .
Teorin är en fortsättning på lagets upptäckt förra året att Janus-gränssnitt sannolikt kommer att bildas på en katalysator av volfram och kobolt, leder till en enda chiralitet, ringde (12, 6), att andra labb hade rapporterat växande 2014.
Rice-teamet visar nu att sådana strukturer inte är unika för en specifik katalysator, men är en allmän egenskap hos ett antal stela katalysatorer. Det beror på att atomerna som fäster sig vid nanorörkanten alltid söker sina lägsta energitillstånd, och råkar hitta den i Janus-konfigurationen som de döpte till A-Ö.
"Människor har i studier antagit att kantens geometri är en cirkel, " sa Penev. "Det är intuitivt - det är normalt att anta att den kortaste kanten är den bästa. Men vi hittade för kirala rör den något långsträckta Janus -kanten gör att den kan ha mycket bättre kontakt med fasta katalysatorer. Energin för den här kanten kan vara ganska låg."
I cirkelkonfigurationen, de platta fåtöljens underdelar vilar på underlaget, tillhandahålla det maximala antalet kontakter mellan katalysatorn och nanoröret, som växer rakt upp. (Janus kanter tvingar dem att växa i vinkel.)
Kolnanorör – långa, upprullade rör av grafen-är tillräckligt svåra att se med ett elektronmikroskop. Ännu finns det inget sätt att observera basen av ett nanorör när det växer nerifrån och upp i en ugn för kemisk ångavsättning. Men teoretiska beräkningar av energin på atomnivå som passerar mellan katalysatorn och nanoröret vid gränssnittet kan berätta forskarna mycket om hur de växer.
Det är en väg som Rice lab har följt i mer än ett decennium, dra i tråden som avslöjar hur små justeringar i nanorörtillväxt kan förändra kinetiken, och i slutändan hur nanorör kan användas i applikationer.
"Rent generellt, införandet av nya atomer vid nanorörskanten kräver att gränssnittet mellan nanoröret och substratet bryts, " sa bets. "Om gränssnittet är tätt, det skulle kosta för mycket energi. Det är därför skruvdislokationstillväxtteorin som föreslogs av professor Yakobson 2009 kunde koppla tillväxthastigheten med närvaron av kinks, platserna på nanorörskanten som stör den täta kontakten mellan kolnanorör och substrat.
"Nyfiket, även om Janus kantkonfiguration tillåter mycket tät kontakt med substratet bevarar den fortfarande en enda kink som skulle möjliggöra kontinuerlig tillväxt av nanorör, som vi visade förra året för kobolt volframkatalysatorn, " sa Bets.
Bets körde omfattande datorsimuleringar för att modellera nanorör som växer på tre stela katalysatorer som visade tecken på Janus-tillväxt och ytterligare en "flytande" katalysator, volframkarbid, det gjorde det inte. "Ytan på den katalysatorn är väldigt rörlig, så atomerna kan röra sig mycket, " sade Penev. "För den där, vi observerade ingen tydlig segregation. "
Yakobson jämförde Janus nanorör med Wulff-formen av kristaller. "Det är något förvånande att vår analys föreslår en omstrukturering, facetterad kant är energetiskt gynnad för kirala rör, "sa han." Antar att den lägsta energikanten måste vara en cirkel med minimal längd är som att anta att en kristallform måste vara en sfär med minimal yta men vi vet väl att 3D-former har fasetter och 2-D-former är polygoner , som symboliseras av Wulff-konstruktionen.
"Grafen har med nödvändighet flera sidor, 'men en nanorörscylinder har en kant, göra energianalysen annorlunda, ", sade han. "Detta väcker fundamentalt intressanta och praktiskt viktiga frågor om den relevanta strukturen hos nanorörskanterna."
Risforskarna hoppas att deras upptäckt kommer att leda dem längs vägen mot dessa svar. "Den omedelbara implikationen av denna upptäckt är ett paradigmskifte i vår förståelse av tillväxtmekanismer, " sa Yakobson. "Det kan bli viktigt i hur man praktiskt utformar katalysatorn för effektiv tillväxt, speciellt av kontrollerad nanorörssymmetrityp, för elektronisk och optisk nytta."
