Este gráfico mostra a diferença entre um nanotubo de poltrona, deixou, com um nanotubo próximo à poltrona de crescimento rápido, Centro, que tem uma única dobra em sua base. À direita, um nanotubo com múltiplas dobras não tem tanta probabilidade de crescer sob certas condições, de acordo com uma nova fórmula para o crescimento de nanotubos. Crédito:Evgeni Penev
(Phys.org) —Muitas ideias surgem de conversas enquanto tomamos uma xícara de café. Mas é raro e maravilhoso quando uma revelação vem da própria xícara.
Boris Yakobson, físico teórico da Rice University, agindo com inspiração repentina em uma reunião no ano passado em Arlington, Va., obteve um par de xícaras de café sobressalentes de um servidor e uma tesoura e começou a apresentar - ao estilo de feira de ciências - uma ideia que poderia ter implicações de longo alcance para a indústria de nanotecnologia.
Conforme refletido em um novo artigo em Nature Communications , Yakobson e seus colegas do Rice, o pesquisador de pós-doutorado Vasilii Artyukhov e o cientista pesquisador Evgeni Penev, tinha surgido com a semente (ou talvez, bean) de uma fórmula simples que descreve por que os nanotubos têm quiralidade. A quiralidade é a propriedade que descreve o ângulo dos hexágonos do átomo de carbono que constituem as paredes de um nanotubo.
Os pesquisadores disseram que o conhecimento pode permitir que os químicos controlem a quiralidade de lotes inteiros de nanotubos à medida que os tubos são cultivados.
Nanotubos de carbono são folhas de grafeno, a forma de carbono com a espessura de um único átomo, enrolado em um cilindro. Certos tipos, chamados de nanotubos de poltrona - assim chamados pela forma como suas bordas se alinham - têm excelente condutividade e podem ser a chave para cabos de transmissão de energia sem perdas. Gire os hexágonos 30 graus e os nanotubos se tornam o que é chamado de tipo ziguezague, uma variante semicondutora de grande valor para aplicações eletrônicas.
Ziguezagues, poltronas e todos os nanotubos intermediários são definidos por sua quiralidade. Seu eletrônico, As propriedades químicas e ópticas mudam a cada grau entre zero e 30 que os hexágonos são inclinados.
Os nanotubos crescem em lotes de muitos tipos, e ninguém ainda encontrou uma maneira eficiente de obter tubos de um único tipo em quantidades industriais. A melhor esperança para novas tecnologias que usam nanotubos é descobrir como fazer crescer lotes de quiralidade única.
Este, acontece que, pode ser uma questão de equilibrar duas forças opostas:a energia do contato catalisador-nanotubo e a velocidade com que os átomos se ligam à medida que forçam o nanotubo a crescer de baixo para cima.
Yakobson e seus colegas ficaram intrigados com o fato de que, na última década, o crescimento de nanotubos em vários laboratórios revelou uma forte preferência por versões quase de poltrona com quiralidade mínima. Conforme crescido, esses nanotubos se inclinam na base enquanto ainda estão presos ao catalisador de metal. "Eles estão inclinando torres de carbono, "Yakobson disse, embora isso deixasse Pisa com ciúme, porque os nanotubos podem ser milhares de vezes maiores do que largos. Mais, eles giram à medida que crescem, em vez de ficarem parados.
"Do ponto de vista da teoria, foi realmente um quebra-cabeça, "Penev disse." Por que eles crescem quirais, e o que pode controlar esse tipo de quiralidade? "
Yakobson e seu grupo Rice são especializados em análise teórica de energia no nível atômico. Quando o professor, com copo e tesoura na mão, corte um entalhe no recipiente, tudo começou a fazer sentido.
"Quando olhamos com muito cuidado para a termodinâmica e cinética da interface atômica entre o catalisador e o corpo da rede de carbono em crescimento, descobrimos que há um equilíbrio entre a energia do contato e a velocidade pela qual os átomos de carbono podem ser inseridos, " ele disse.
As xícaras de café representam três tipos de nanotubos de carbono analisados por físicos teóricos da Rice University. Os pesquisadores determinaram que nanotubos próximos à poltrona em um lote crescem em maior volume porque atingem o equilíbrio mais favorável entre energia e velocidade. Nanotubos com um ângulo quiral maior, como o da direita, não são tão favorecidos porque a alta energia do contato frouxo reduz a taxa de nucleação. Crédito:The Yakobson Group
Os pesquisadores descreveram a energia e a velocidade como "tendências antagônicas, "como a preferência energética tende para um nanotubo de fundo plano que abraça o catalisador e resulta em uma poltrona ou tubos" aquirais "em zigue-zague, enquanto a necessidade de velocidade leva a tubos quirais.
O melhor equilíbrio foi alcançado quando os nanotubos mostraram uma única torção na base, como um dente em uma serra, e deixou a quantidade necessária de espaço para os átomos se ligarem e forçarem o tubo a espiralar para cima.
"O detalhe crítico é que o carbono é mais fácil de inserir na interface entre o catalisador e o corpo do nanotubo se houver um ponto solto, "Artyukhov disse." Este ponto solto é sempre devido à torção na base, por assim dizer."
Consequentemente, ao calcular a distribuição de crescimento de nanotubos em um lote, os pesquisadores descobriram que os nanotubos mais abundantes são aqueles que estão muito próximos do tipo poltrona, especialmente quando o crescimento ocorre em temperaturas mais baixas e com um catalisador sólido. Temperaturas mais altas e um catalisador líquido tendem a produzir uma gama mais ampla de nanotubos quirais. Ambos os resultados podem ser explicados pela fórmula, de acordo com o jornal.
"Na verdade, uma das coisas mais satisfatórias sobre este trabalho é que toda essa complexidade pode ser compactada em uma equação matemática muito simples, "Yakobson disse." Eu nunca teria esperado isso. "
