p Quando um círculo é menos estável do que um loop irregular? Aparentemente, quando você está falando sobre nanotubos de carbono. p Pesquisadores teóricos da Rice University descobriram que nanotubos com seções segregadas de facetas em "zigue-zague" e "poltrona" crescendo a partir de um catalisador sólido são muito mais estáveis ​​energeticamente do que um arranjo circular seria.

p Sob as circunstâncias certas, eles relataram, a interface entre um nanotubo em crescimento e seu catalisador pode atingir seu estado de energia mais baixo conhecido por meio da configuração "Janus" de duas faces, com um semicírculo de ziguezagues em frente a seis poltronas.

p Os termos se referem à forma da borda do nanotubo:a extremidade de um nanotubo em zigue-zague parece um dente de serra, enquanto uma poltrona é como uma fileira de assentos com braços. Eles são as configurações básicas de borda do favo de mel bidimensional de átomos de carbono conhecido como grafeno (bem como outros materiais 2-D) e determinam muitas das propriedades dos materiais, especialmente condutividade elétrica.

p A equipe da Brown School of Engineering do teórico de materiais Boris Yakobson, o pesquisador e autor principal Ksenia Bets e o professor assistente de pesquisa Evgeni Penev relataram seus resultados no jornal American Chemical Society ACS Nano .

p A teoria é uma continuação da descoberta da equipe no ano passado de que as interfaces Janus provavelmente se formarão em um catalisador de tungstênio e cobalto, levando a uma única quiralidade, chamado (12, 6), que outros laboratórios relataram ter crescido em 2014.

p A equipe do Rice agora mostra que tais estruturas não são exclusivas de um catalisador específico, mas são uma característica geral de vários catalisadores rígidos. Isso porque os átomos que se ligam à borda do nanotubo sempre buscam seus estados de energia mais baixos, e por acaso o encontram na configuração Janus que eles chamaram de AZ.

p "As pessoas presumiram em estudos que a geometria da borda é um círculo, - disse Penev. - Isso é intuitivo - é normal presumir que a borda mais curta é a melhor. Mas descobrimos que, para os tubos quirais, a borda de Janus ligeiramente alongada permite que ele entre em contato muito melhor com os catalisadores sólidos. A energia para essa borda pode ser muito baixa. "

p Na configuração do círculo, o fundo plano da poltrona repousa sobre o substrato, fornecer o número máximo de contatos entre o catalisador e o nanotubo, que cresce direto. (As bordas de Janus os forçam a crescer em um ângulo.)

p Nanotubos de carbono - longos, tubos enrolados de grafeno - são bastante difíceis de ver com um microscópio eletrônico. Ainda não há como observar a base de um nanotubo conforme ele cresce de baixo para cima em uma fornalha de deposição de vapor químico. Mas cálculos teóricos da energia em nível de átomo que passa entre o catalisador e o nanotubo na interface podem dizer aos pesquisadores muito sobre como eles crescem.

p Esse é um caminho que o Laboratório Rice tem seguido por mais de uma década, puxando o fio que revela como ajustes minuciosos no crescimento do nanotubo podem mudar a cinética, e, finalmente, como os nanotubos podem ser usados ​​em aplicações.

p "Geralmente, a inserção de novos átomos na borda do nanotubo requer a quebra da interface entre o nanotubo e o substrato, "Dizem as apostas." Se a interface for justa, custaria muita energia. É por isso que a teoria do crescimento por deslocamento do parafuso proposta pelo professor Yakobson em 2009 foi capaz de conectar a taxa de crescimento com a presença de torções, os locais na borda do nanotubo que interrompem o contato nanotubo-substrato de carbono.

p "Curiosamente, embora a configuração da borda de Janus permita um contato muito estreito com o substrato, ela ainda preserva uma única dobra que permitiria o crescimento contínuo do nanotubo, como demonstramos no ano passado para o catalisador de cobalto-tungstênio, "Disse apostas.

p Bets executou extensas simulações de computador para modelar nanotubos crescendo em três catalisadores rígidos que mostraram evidências de crescimento de Janus e mais um catalisador "fluido", carboneto de tungstênio, isso não aconteceu. "A superfície desse catalisador é muito móvel, então os átomos podem se mover muito, "Penev disse." Para aquele, não observamos uma segregação clara. "

p Yakobson comparou os nanotubos de Janus à forma Wulff dos cristais. "É um tanto surpreendente que nossa análise sugira uma reestruturação, borda facetada é energeticamente favorecida para tubos quirais, "disse ele." Presumir que a borda de menor energia deve ser um círculo de comprimento mínimo é como presumir que a forma de um cristal deve ser uma esfera de superfície mínima, mas sabemos bem que as formas 3-D têm facetas e as formas 2-D são polígonos , como sintetizado pela construção Wulff.

p "O grafeno tem por necessidade vários 'lados, 'mas um cilindro de nanotubo tem uma borda, tornando a análise de energia diferente, "disse ele." Isso levanta questões fundamentalmente interessantes e praticamente importantes sobre a estrutura relevante das bordas dos nanotubos. "

p Os pesquisadores do Rice esperam que sua descoberta os avance no caminho em direção a essas respostas. "A implicação imediata dessa descoberta é uma mudança de paradigma em nossa compreensão dos mecanismos de crescimento, "Yakobson disse." Isso pode se tornar importante na forma como se projeta praticamente o catalisador para um crescimento eficiente, especialmente do tipo de simetria controlada de nanotubos, para utilidade eletrônica e óptica. "