p (Phys.org) - Nanotubos esmagados podem estar repletos de novas possibilidades para os cientistas, de acordo com um novo estudo da Rice University. p Pesquisadores do Instituto Richard E. Smalley de Nanoscale Science and Technology de Rice chegaram com um conjunto de fatos e números sobre os nanotubos de carbono que parecem entrar em colapso durante o processo de crescimento; eles descobriram que essas configurações únicas têm propriedades de nanotubos e nanofitas de grafeno.

p O que os pesquisadores chamam de “nanofitas de grafeno de borda fechada” poderia dar início à pesquisa sobre sua utilidade em aplicações eletrônicas e de materiais.

p O trabalho pioneiro liderado por Robert Hauge, um distinto professor de química na Rice, é detalhado em um artigo que apareceu online este mês no jornal American Chemical Society ACS Nano .

p “Um nanotubo colapsado se parece muito com o grafeno no meio, mas exatamente como fulerenos (moléculas de carbono-60, uma descoberta ganhadora do Prêmio Nobel na Rice) nas laterais, ”Disse Hauge. “Isso significa que você tem a química do grafeno no meio e a química dos fulerenos nas bordas. E você pode separar os dois eletronicamente, colocando grupos funcionais nas laterais para isolar as camadas superior e inferior.

p “Se você faz química de ponta que transforma os lados em isolantes, então a parte superior não se comunica com a parte inferior eletronicamente, exceto por meio de alguma interação do tipo van der Waals ou de estado excitado, Disse ele. “É daí que virão a nova física e talvez as propriedades eletrônicas.”

p A descoberta pode levar a um crescimento sob encomenda, nanofitas de grafeno de duas ou quatro camadas com bordas perfeitas, um produto difícil de obter descompactando ou cortando nanotubos. “O mundo do grafeno está procurando maneiras de fazer fitas bem definidas, ”Disse Hauge. “Eles sempre têm que cortar o grafeno e ficar com lados mal definidos que afetam suas propriedades eletrônicas. Eles têm a vantagem de uma borda muito mais bem definida. ”

p A consciência de Hauge de trabalhos anteriores sobre o colapso dos nanotubos o levou a estudar o fenômeno. “Tenho interesse em cultivar nanotubos de diâmetro maior, com base no tamanho de partícula do catalisador, por algum tempo agora, Disse ele. “Nós pensamos que eles poderiam entrar em colapso, então começamos a procurar as evidências ”.

p A equipe descobriu que dobra, torções e dobras em nanotubos vistos através de um microscópio eletrônico de transmissão e medidos através de um microscópio de força atômica foram bons indicadores de nanotubos colapsados. Esses nanotubos tinham cerca de 0,7 nanômetro de altura no meio e um pouco mais no que os pesquisadores chamam de “lâmpadas altamente tensas” nas bordas. Mas encontrar tubos achatados não indica como eles ficaram assim.

p Hauge abordou o físico teórico de Rice, Boris Yakobson, para ver como a energia intrínseca dos átomos do grafeno - uma de suas especialidades - permitiria que tal colapso acontecesse. Yakobson colocou a estudante de graduação e coautora Ksenia Bets no caso.

p “Originalmente, pensamos que seria um problema pequeno e simples, e acabou sendo simples - mas não tão pequeno, ”Bets disse. Usando simulação dinâmica molecular, ela ajustou dados dos experimentalistas a modelos atomísticos de nanotubos de parede única. “E então, usando os mesmos parâmetros, Produzi resultados para paredes duplas, e também se encaixam exatamente com os dados experimentais. ”

p Os resultados reunidos ao longo de seis meses confirmaram a probabilidade de que na temperatura de crescimento - 750 graus Celsius - nanotubos flexíveis que flutuam na brisa de gás dentro de uma fornalha possam de fato ser induzidos ao colapso. Se dois átomos de cada lado da parede interna ficarem próximos o suficiente um do outro, eles podem iniciar uma cascata de van der Walls que achatará o nanotubo, Apostas disse.

p “No início, é preciso energia para pressionar o nanotubo, mas você chega a um ponto onde os dois lados começam a se sentir, e eles começam a ganhar a energia de atração, ”Disse Hauge. “A força van der Waals assume, e os tubos então preferem ser dobrados ”.

p Ele disse que a energia necessária para colapsar um nanotubo diminui à medida que o diâmetro do tubo aumenta. “É como um canudo, Disse ele. “Para um nanotubo de parede única, quanto maior fica, mais fácil é distorcer. ”

p Mais significativos foram os cálculos que determinaram os diâmetros específicos em que os nanotubos tornam-se propensos a entrar em colapso. Há um ponto, Hauge disse, em que um nanotubo poderia ir de qualquer maneira, portanto, a dispersão de nanotubos em nanofitas em um lote de um diâmetro específico deve ser aproximadamente igual. Conforme o diâmetro aumenta, o equilíbrio muda a favor das fitas.

p “É um desempate entre a energia de tensão nas bordas e a interação de van der Walls no centro, Disse ele. Especificamente, eles descobriram que tubos independentes de parede única tornam-se suscetíveis ao colapso quando têm pelo menos 2,6 nanômetros de diâmetro - o que os pesquisadores chamam de "ponto de equivalência de energia". A teoria determina que o diâmetro cairia para 1,9 nanômetros para um tubo de parede única sentado sobre uma superfície de grafeno, ele disse, because of additional atomic interaction with the substrate.

p Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

p Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, Disse ele. “That’s the tipping point. Anything above, energeticamente, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

p The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

p Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, Disse ele. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

p But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, Disse ele. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”