(Phys.org) - Na temperatura certa, com o catalisador certo, não há razão para um nanotubo de carbono de parede única perfeito 50, 000 vezes mais fino que um cabelo humano não pode crescer um metro de comprimento.

Esse cálculo é resultado de um estudo realizado por colaboradores da Rice, As universidades politécnicas e de Tsinghua de Hong Kong que exploraram o mecanismo de autocura que poderia tornar esse crescimento extraordinário possível. Isso é importante para os cientistas que veem os nanotubos de carbono de alta qualidade como essenciais para materiais avançados e, se eles podem ser tecidos em cabos longos, distribuição de energia na rede do futuro.

O relatório publicado online por Cartas de revisão física é do físico teórico Boris Yakobson de Rice; Feng Ding, um professor assistente adjunto na Rice e um professor assistente na Politécnica de Hong Kong; autor principal Qinghong Yuan, um pesquisador de pós-doutorado na Politécnica de Hong Kong; e Zhiping Xu, um professor de mecânica de engenharia em Tsinghua e ex-pesquisador de pós-doutorado em Rice.

Eles determinaram que o ferro é o melhor e mais rápido entre os catalisadores comuns na cura de defeitos topológicos - anéis com muitos ou poucos átomos - que inevitavelmente borbulham durante a formação de nanotubos e afetam suas valiosas propriedades eletrônicas e físicas. A combinação certa de fatores, principalmente temperatura, leva à cura cinética em que átomos de carbono extraviados são redirecionados para formar os hexágonos energeticamente favoráveis ​​que compõem os nanotubos e seu primo plano, grafeno. A equipe empregou a teoria do funcional da densidade para analisar as energias necessárias para a transformação.

“É surpreendente que a cura de todos os defeitos potenciais - pentágonos, heptágonos e seus pares - durante o crescimento do nanotubo de carbono é muito fácil, ”Disse Ding, que foi um cientista pesquisador no laboratório de arroz de Yakobson de 2005 a 2009. “Apenas menos de um décimo bilionésimo pode sobreviver a uma condição ideal de crescimento. A taxa de cura de defeitos é incrível. Se considerarmos os hexágonos como mocinhos e os outros como bandidos, haveria apenas um bandido na Terra. ”

As energias associadas a cada átomo de carbono determinam como ele encontra seu lugar na forma de nanotubo semelhante a um arame de galinha, disse Yakobson, A cadeira Karl F. Hasselmann de Rice em Engenharia e professor de ciência dos materiais e engenharia mecânica e química. Mas tem havido um longo debate entre os cientistas sobre o que realmente acontece na interface entre o catalisador e um tubo em crescimento.

“Tem havido duas hipóteses, ”Yakobson disse. “Um deles era que os defeitos são criados com bastante frequência e penetram na parede do tubo, mas, mais tarde, eles se recozem. Existe algum tipo de processo de conserto. Outra hipótese é que eles basicamente não se formam, o que parece bastante irracional.

“Isso tudo era apenas conversa; não houve análise quantitativa. E é aí que este trabalho dá uma contribuição importante. Ele avalia quantitativamente, com base em cálculos de última geração, especificamente o quão rápido esse recozimento pode ocorrer, dependendo da localização, Disse ele.

Um nanotubo cresce em uma fornalha conforme os átomos de carbono são adicionados, um por um, no catalisador. É como construir primeiro o pico de um arranha-céu e adicionar tijolos na parte inferior. Mas, como esses tijolos estão sendo adicionados a uma taxa furiosa - milhões em questão de minutos - erros podem acontecer, alterando a estrutura.

Em teoria, se um anel tem cinco ou sete átomos em vez de seis, isso distorceria a maneira como todos os átomos subsequentes na cadeia se orientam; um pentágono isolado transformaria o nanotubo em um cone, e um heptágono o transformaria em um chifre, Yakobson disse.

Mas os cálculos também mostraram que esses defeitos isolados não podem existir em uma parede de nanotubo; eles sempre apareceriam em 5/7 pares. Isso torna uma solução rápida mais fácil:se um átomo puder ser movido do heptágono para o pentágono, ambos os anéis chegam a seis.

Os pesquisadores descobriram que a própria transição acontece melhor quando os nanotubos de carbono são cultivados em temperaturas em torno de 930 Kelvin (1, 214 graus Fahrenheit). Esse é o ideal para a cura com um catalisador de ferro, que os pesquisadores descobriram que tem a menor barreira de energia e energia de reação entre os três catalisadores comuns considerados, incluindo níquel e cobalto.

Uma vez que 5/7 se forma na interface entre o catalisador e o nanotubo em crescimento, a cura deve acontecer muito rapidamente. Os novos átomos empurram o defeito para a parede do nanotubo, é menos provável que seja curado, eles determinaram; mais de quatro átomos de distância do catalisador, o defeito está bloqueado.

O controle rígido das condições sob as quais os nanotubos crescem pode ajudá-los a se autocorrigir rapidamente. Erros no posicionamento do átomo são detectados e corrigidos em uma fração de milissegundo, antes de se tornarem parte da parede do nanotubo.

Os pesquisadores também determinaram por meio de simulações que quanto mais lento o crescimento, mais comprido pode ser um nanotubo perfeito. Um nanotubo crescendo cerca de 1 micrômetro por segundo a 700 kelvins poderia potencialmente atingir o marco do metro, eles encontraram.