p (Phys.org) —Carbon - a base química de toda vida conhecida e um elemento conhecido desde o século 8 AC - existe em uma variedade de formas, ou alótropos , com propriedades notavelmente diversas. (Diamante, por exemplo, é uma rede tetraédrica transparente e extremamente dura que conduz eletricidade de maneira fraca, mas é um excelente condutor térmico. Grafite, por outro lado - um condutor elétrico moderado - é um macio, Preto, sólido em flocos formado a partir de folhas de estruturas hexagonais planas conhecidas como grafeno .) Entre os alótropos de carbono, nanotubos de carbono são nanoestruturas cilíndricas baseadas em grafeno com propriedades centrais para muitos campos da ciência e tecnologia de materiais. Em particular, nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs) são nanotubos de carbono cujas propriedades mudam com seus quiralidade - isso é, os arranjos dos átomos de carbono, que é baseado no diâmetro do tubo e ângulo de envolvimento, conforme especificado pelo que é conhecido como ( n, m ) valor. Essas variantes se comportam como condutores elétricos ou semicondutores com diferentes bandgaps (a faixa de energia em um sólido onde nenhum estado de elétron pode existir), tornando-os extremamente desejáveis ​​para aplicações de nanoeletrônica. Embora essa característica dependa de todos os SWVTs estarem na forma quiral ou na outra, historicamente tem sido muito difícil cultivar seletivamente uma única forma, com a maior seletividade de 55% sendo alcançada usando partículas cuidadosamente escolhidas como catalisadores no processo de crescimento da síntese de deposição de vapor químico. Recentemente, Contudo, cientistas da Universidade de Pequim, Pequim usou nanocristais de liga bimetálica à base de tungstênio como catalisadores para produzir quiralidade única diretamente (isto é, ou canhotos ou destros) SWNTs com pureza superior a 92%. Ao fazê-lo, os pesquisadores dizem, seus resultados preparam o terreno para o controle completo sobre o crescimento da quiralidade SWNT, e, assim, um maior desenvolvimento de aplicativos SWNT. p Prof Yan Li discutiu o artigo que ela e seus co-autores publicaram em Natureza com Phys.org . "As propriedades dos SWNTs são totalmente determinadas por sua estrutura, ou quiralidade - e em muitas aplicações, é necessário que os materiais apresentem propriedades uniformes, "Li conta Phys.org . Como um exemplo, ela diz que ao usar SWNTs para construir transistores de efeito de campo (FETs), sempre se espera que todos os SWNTs tenham a estrutura idêntica, exibindo assim o mesmo desempenho. "Contudo, "Li acrescenta, "O crescimento controlado por quiralidade tem sido um grande desafio no campo há vinte anos - mas desenvolvemos uma nova estratégia para atingir o objetivo."

p Li observa que há dois fatores importantes para reduzir a temperatura da liga:átomos de tungstênio e cobalto já sendo bem misturados no precursor, e as partículas tendo dimensões em nanoescala. De acordo, sua estratégia é baseada em uma nova família de catalisadores - nanocatalisadores de liga à base de tungstênio - para o crescimento de nanotubos de carbono. "Esses catalisadores mantêm sua estrutura cristalizada sob as altíssimas temperaturas necessárias para o crescimento do nanotubo de carbono, e também exibem uma estrutura única que serve como um modelo de nanotubo de carbono. "A liga à base de tungstênio se forma em temperaturas extremamente altas - normalmente bem acima de 2.000 ° C - exigindo instalações especiais, uma vez que é extremamente difícil realizar este procedimento usando equipamento de laboratório padrão - e, além disso, Li aponta, é difícil controlar o tamanho, estrutura e morfologia da liga resultante sob tais condições. "Usamos um cluster molecular precursor † para obter nanocatalisadores de nanopartículas de liga de tungstênio-cobalto (W – Co) a uma temperatura moderada de ~ 1000 ° C, "Li diz, "o que tornou a produção de SWNT muito mais fácil."

p A chave para resolver este desafio de crescimento SWNT controlado por quiralidade de duas décadas era, declarado simplesmente, uma nova ideia. "Embora um grande esforço tenha sido feito para explorar o crescimento SWNT seletivo para quiralidade, nenhuma abordagem eficiente foi desenvolvida. Isso se deve parcialmente ao fato de não termos uma visão suficiente do mecanismo de crescimento do SWNT, "ela explica." De fato, é muito difícil coletar informações suficientes no local durante o processo de crescimento do nanotubo - mas são exatamente essas informações que podem nos ajudar a entender o mecanismo. Alimentado por minha experiência de mais de dez anos no crescimento de SWNT, Tive uma ideia nova sobre o uso de catalisadores para guiar a estrutura dos SWNTs. "

p Embora os pesquisadores tenham investigado vigorosamente o uso de catalisadores para modelar a estrutura de SWNTs - conforme evidenciado por muitos artigos publicados nesta área - o sucesso se mostrou ilusório. "Nós conseguimos, "Li acrescenta, "porque temos duas ideias significativamente diferentes - a saber, reconhecemos que catalisadores com altos pontos de fusão são necessários para usar o catalisador como modelo estrutural; encontramos a receita certa para obter catalisadores com alto ponto de fusão; percebemos que a estrutura única do catalisador é essencial para alcançar alta seletividade e especificidade. Além disso, como químicos inorgânicos que conhecemos há muito tempo sobre aglomerados moleculares, suas características e como prepará-los - então, a ideia de usar clusters moleculares como o precursor das nanopartículas de liga W-Co veio naturalmente para nós, resultando em nosso projeto de um novo caminho para a preparação de nanopartículas de liga W-Co. "

p Em seu jornal, os cientistas dizem que desde o uso de nanocristais de liga de alto ponto de fusão com estruturas otimizadas como catalisadores tem permitido comprovadamente a produção de nanotubos de quiralidade única em uma abundância de> 92%, eles esperam que seus resultados abram o caminho para o controle total da quiralidade no crescimento do SWNT, promovendo assim o desenvolvimento de aplicações SWNT. "Com base em nosso entendimento sobre o mecanismo de crescimento SWNT e os dados experimentais que já temos, "Li diz, "Estamos confiantes de que nossa estratégia de crescimento de SWNTs com a estrutura e quiralidade desejadas usando catalisadores com estrutura projetada e alta estabilidade pode se tornar uma abordagem padrão." Além disso, tungstênio, cobalto, ferro, e o níquel são abundantes, metais baratos, e sua fonte de carbono é o etanol, portanto, os custos de produção podem ser baixos - uma vantagem óbvia para comercialização futura.

p Uma das aplicações potenciais mais interessantes é na eletrônica. Li aponta que o Roteiro de Tecnologia Internacional para Semicondutores (ITRS) de 2009 selecionou a nanoeletrônica baseada em carbono - incluindo nanotubos de carbono e grafeno - como tecnologias promissoras visando a demonstração comercial no próximo horizonte de 10-15 anos, e assim receber recursos adicionais e roteiro detalhado. "Para a aplicação em larga escala de SWNTs em nanoeletrônica, "Li aponta, "SWNTs com estrutura idêntica são desejados. Nosso método de cultivo de SWNTs com estrutura idêntica é, portanto, uma parte muito importante do desenvolvimento da eletrônica baseada em nanotubos de carbono."

p Citando outro exemplo, Li observa que o Prof. Lianmao Peng e sua equipe mostraram ¹ que os SWNTs podem ser usados ​​para alcançar a multiplicação eficiente da fotovoltagem em células solares baseadas em SWNT. Ela observa que SWNTs de estrutura idêntica também podem ser usados ​​em tais dispositivos, então, se os nanotubos forem usados, células solares com fotovoltagem ajustada com precisão podem ser obtidas. "Definitivamente, há muito mais aplicações potenciais, "Li acrescenta. Agora temos amostras SWNT com estrutura idêntica, podemos explorar propriedades mais interessantes e possíveis aplicações que nunca poderíamos imaginar antes. "

p Li também menciona o uso do Vienna Ab-initio Simulation Package para simulações de teoria funcional de densidade autoconsistentes. "A simulação fornece insights que não estão disponíveis apenas por meio de dados experimentais. Também pode ajudar os teóricos a entender o mecanismo de vários processos."

p Seguindo em frente, Li diz, os cientistas estão focados em três etapas principais:

p • Projetar mais catalisadores para produzir SWNTs com uma gama mais ampla de quiralidades

p • Otimizando ainda mais o processo para melhorar a seletividade da quiralidade, e, portanto, pureza

p • Explorando a síntese em massa

p Além de seu próprio campo, Li conta Phys.org , existem outras áreas de pesquisa que podem se beneficiar de seu estudo. "Na metalurgia de ligas, nossa ideia de usar algum precursor especial para reduzir drasticamente a temperatura da liga pode ser adotada porque pode reduzir notavelmente o consumo de energia - e a temperatura mais baixa do processo pode facilitar muito os requisitos de materiais e sistemas de controle para aparelhos de produção. Além disso, o uso de catalisadores de liga de estrutura única para produzir moléculas com uma estrutura predefinida pode ser amplamente utilizado em síntese química. Finalmente, "Li conclui, "nossos métodos para caracterizar a composição da quiralidade SWNT podem ser usados ​​na pesquisa básica de nanotubos de carbono." p © 2014 Phys.org