Cultivar um lote de nanotubos de carbono que são todos iguais pode não ser tão simples quanto os pesquisadores esperavam, de acordo com cientistas da Rice University.

O teórico dos materiais de arroz Boris Yakobson e sua equipe resistiram à teoria de que, ao cultivar nanotubos em uma fornalha, um catalisador com um arranjo atômico específico e simetria faria com segurança nanotubos de carbono de quiralidade semelhante, o ângulo de sua estrutura de átomo de carbono.

Em vez de, eles descobriram que o catalisador em questão inicia nanotubos com uma variedade de ângulos quirais, mas redireciona quase todos eles para uma variante de rápido crescimento conhecida como (12, 6). A causa parece ser uma interface parecida com a de Janus, composta de poltrona e segmentos em zigue-zague - e, em última análise, muda a forma como os nanotubos crescem.

Como a quiralidade determina as propriedades elétricas de um nanotubo, a capacidade de cultivar lotes quirais específicos é o Santo Graal da nanotecnologia. Isso pode levar a fios que, ao contrário de cobre ou alumínio, transmitir energia sem perda. Os nanotubos geralmente crescem em quiralidades aleatórias.

O estudo teórico de Rice detalhado na revista American Chemical Society Nano Letras poderia ser um passo em direção aos catalisadores que produzem lotes homogêneos de nanotubos, Yakobson disse.

Yakobson e seus colegas Evgeni Penev e Ksenia Bets e o estudante de graduação Nitant Gupta resolveram um enigma apresentado por outros experimentalistas em um workshop de 2013 que usou uma liga de cobalto e tungstênio para catalisar nanotubos de parede única. No lote daquele laboratório, mais de 90 por cento dos nanotubos tinham uma quiralidade de (12, 6).

Os números (12, 6) são coordenadas que se referem ao vetor quiral de um nanotubo. Os nanotubos de carbono são folhas enroladas de grafeno bidimensional. O grafeno é altamente condutor, mas quando é enrolado em um tubo, sua condutividade depende do ângulo - ou quiralidade - de sua estrutura hexagonal.

Nanotubos de poltrona - assim chamados por causa da forma de poltrona de suas bordas - têm índices quirais idênticos, como (9, 9), e são altamente desejados por sua condutividade perfeita. Eles são diferentes dos nanotubos em zigue-zague, como (16, 0), que podem ser semicondutores. Girar uma folha de grafeno apenas 30 graus mudará o nanotubo que ela forma de poltrona para zigue-zague ou vice-versa.

Penev disse que os experimentalistas explicaram seu trabalho "de uma forma que era intrigante desde o início. Eles disseram que este catalisador tem uma simetria específica que corresponde a (12, 6) borda, então, esses nanotubos preferencialmente nuclear e crescer. Este foi o surgimento da chamada ideia de correspondência de simetria do crescimento seletivo do nanotubo de carbono.

"Nós lemos e digerimos isso, mas ainda não conseguíamos entender isso, " ele disse.

Logo após a conferência de 2013, o laboratório Yakobson publicou sua própria teoria de crescimento de nanotubos, que mostrou que o equilíbrio entre duas forças opostas - a energia do contato catalisador-nanotubo e a velocidade com que os átomos se ligam ao tubo crescente na interface - são responsáveis ​​pela quiralidade.

Cinco anos depois, que acabou sendo tão verdadeiro em seu novo jornal, embora com uma torção. Os cálculos de Rice mostram que a liga Co7W6 promove a formação da interface tipo Janus que garante a torção necessária na borda e permite que os átomos de carbono se fixem na base do nanotubo. Mas o catalisador também força o nanotubo a incorporar defeitos que alteram seu fluxo médio inicial de quiralidade.

"Nós descobrimos duas coisas, "Yakobson disse." Uma é que os tipos de átomos de carbono na base do nanotubo se separam em segmentos de poltrona e em zigue-zague. A segunda é a tendência à formação de defeitos que impulsionam a quiralidade, ou helicidade, mudança. Isso faz com que (12, 6) uma espécie de atrator transiente, pelo menos durante experimentos curtos. Se eles fossem capazes de crescer para sempre, (12, 6) os nanotubos eventualmente mudariam para poltronas. "

O padrão de crescimento incomum poderia ter sido diagnosticado muito mais cedo se não fosse por um erro de digitação antigo que exigiu algum trabalho de detetive obstinado.

"O problema estava em um banco de dados on-line padrão que fornece a estrutura de cristal desta liga de cobalto-tungstênio, "disse Bets, co-autor principal do artigo com Penev. "Uma entrada estava errada. Isso bagunçou tanto a estrutura que não pudemos usá-la em nossos cálculos da teoria funcional da densidade."

Assim que encontraram o erro, Apostas e o co-autor Gupta voltaram ao jornal alemão de 1938 que foi o primeiro a detalhar corretamente a estrutura do Co7W6. Mesmo com isso em mãos, os cálculos da equipe usaram todo o poder de computação que puderam encontrar para simular as conexões energéticas entre cada átomo no catalisador e a matéria-prima de carbono.

"Descobrimos que, se tivéssemos executado os cálculos em série, em vez de em paralelo, eles teriam levado o equivalente a pelo menos 2, 000 anos de tempo de computador, "Disse apostas.

"Este artigo é notável em muitos aspectos:no momento, a quantidade de detalhes e as surpresas que encontramos, "Penev disse." Nunca tivemos um projeto como este. Ainda não sabemos como isso será aplicável a outros materiais, mas estamos trabalhando nisso. "

“Existem quatro ou cinco artigos experimentais, bem recentes, que também mostram uma mudança de quiralidade durante o crescimento, "Disse as apostas." Na verdade, porque é um processo probabilístico, é essencialmente inevitável. Mas até agora isso nunca foi considerado na investigação teórica do crescimento. "