При правильной температуре, с правильным катализатором нет никаких причин, чтобы совершенная одностенная углеродная нанотрубка размером 1/50 000th толщиной с человеческий волос не могла вырасти на метр в длину.
Этот расчет является результатом исследования, проведенного сотрудниками университетов Райса, Гонконгского политехнического института и Университета Цинхуа, которые исследовали механизм самовосстановления, который может сделать возможным такой экстраординарный рост. Это важно для ученых, которые считают, что высококачественные углеродные нанотрубки имеют решающее значение для передовых материалов и, если их можно будет сплести в длинные кабели, для распределения электроэнергии по сети будущего.
Отчет, опубликованный в Интернете в Physical Review Letters, написан физиком-теоретиком Райс Борисом Якобсоном; Фэн Дин, адъюнкт-профессор Райс и доцент Гонконгского политехнического института; ведущий автор Цинхун Юань, научный сотрудник Гонконгского политехнического института; и Чжипин Сюй, профессор инженерной механики в Цинхуа и бывший исследователь с докторской степенью в Райсе.
Они определили, что железо является лучшим и самым быстрым среди распространенных катализаторов при заживлении топологических дефектов - колец со слишком большим или слишком малым числом атомов, - которые неизбежно всплывают при формировании нанотрубок и влияют на их ценные электронные и физические свойства. Правильное сочетание факторов, в первую очередь температуры, приводит к кинетическому исцелению, при котором сбившиеся с пути атомы углерода перенаправляются для формирования энергетически выгодных шестиугольников, из которых состоят нанотрубки и их плоский родственник графен. Команда использовала теорию функционала плотности для анализа энергий, необходимых для трансформации.
«Удивительно, что заживление всех потенциальных дефектов - пятиугольников, семиугольников и их пар - во время выращивания углеродных нанотрубок происходит довольно легко», - сказал Динг, который был научным сотрудником лаборатории Райса Якобсона с 2005 по 2009 год. «Только менее чем одна-десятая миллиардная может выжить при оптимальных условиях роста. Скорость заживления дефектов поразительна. Если мы примем шестиугольники за хороших парней, а другие - за плохих, на Земле будет только один плохой парень».
Энергия, связанная с каждым атомом углерода, определяет, как он находит свое место в форме нанотрубки, похожей на проволочную сетку, сказал Якобсон, заведующий кафедрой инженерии имени Карла Ф. Хассельмана Райс и профессор материаловедения и машиностроения. и химии. Но среди ученых ведутся долгие споры о том, что на самом деле происходит на границе раздела между катализатором и растущей трубкой.
«Было две гипотезы, - сказал Якобсон. «Популярным было то, что дефекты создаются довольно часто и проникают в стенку трубы, но потом отжигаются. Там какой-то процесс фиксации. Другая гипотеза состоит в том, что они в основном вообще не образуются, что звучит совершенно необоснованно.
Это все были просто разговоры, никакого количественного анализа не проводилось. И вот здесь эта работа вносит важный вклад. Она количественно оценивает, основываясь на современных вычислениях, в частности, насколько быстро этот отжиг может занять месте, в зависимости от местоположения, - сказал он.
Нанотрубка растет в печи по мере того, как атомы углерода добавляются один за другим к катализатору. Это все равно, что сначала построить вершину небоскреба, а затем добавить кирпичи к основанию. Но поскольку эти кирпичи добавляются с бешеной скоростью - миллионы за считанные минуты, - могут произойти ошибки, изменяющие структуру.
Теоретически, если в одном кольце будет пять или семь атомов вместо шести, это исказит направление ориентации всех последующих атомов в цепочке; Якобсон сказал, что изолированный пятиугольник превратит нанотрубку в конус, а семиугольник превратит ее в рог.
Но расчеты также показали, что такие изолированные дефекты не могут существовать в стенке нанотрубки; они всегда будут появляться парами 5/7. Это упрощает быстрое исправление: если одному атому можно предложить переместиться из семиугольника в пятиугольник, оба кольца получат шестерки.
Исследователи обнаружили, что сам переход происходит лучше всего, когда углеродные нанотрубки выращиваются при температуре около 930 кельвинов (1 214 градусов по Фаренгейту). Это оптимум для заживления с железным катализатором, который, как обнаружили исследователи, имеет самый низкий энергетический барьер и энергию реакции среди трех рассмотренных распространенных катализаторов, включая никель и кобальт..
Как только на границе раздела катализатора и растущей нанотрубки образуется 5/7, заживление должно произойти очень быстро. Они определили, что чем дальше новые атомы вдавливают дефект в стенку нанотрубки, тем меньше вероятность его заживления; на расстоянии более четырех атомов от катализатора дефект заблокирован.
Жесткий контроль условий, в которых растут нанотрубки, может помочь им корректироваться на лету. Ошибки в размещении атомов обнаруживаются и исправляются за доли миллисекунды, прежде чем они станут частью стенки нанотрубки.
Исследователи также определили с помощью моделирования, что чем медленнее рост, тем длиннее может быть идеальная нанотрубка. Они обнаружили, что нанотрубка, растущая примерно на 1 микрометр в секунду при температуре 700 кельвинов, потенциально может достичь отметки в метр.
Работа в Университете Райса первоначально поддерживалась Национальным научным фондом, а на более позднем этапе - грантом Управления военно-морских исследований.