p Em um artigo publicado recentemente em Avanços da Ciência , Feng Ding do Center for Multidimensional Carbon Materials e seus colegas conseguiram a criação de um tipo específico de nanotubos de carbono (CNTs) com seletividade de 90 por cento, e expandiu a teoria atual que explica a síntese desses nanocilindros promissores. p Os CNTs são nanomateriais incrivelmente fortes e leves feitos de carbono com capacidade superior de transporte de corrente e condutividade térmica muito alta, tornando-os ideais para aplicações eletrônicas. Embora os CNTs sejam considerados alguns dos materiais mais interessantes para o futuro, os cientistas ainda estão lutando por sua síntese controlável.

p A forma dos CNTs pode ser comparada a tubos de papel - assim como um cilindro pode ser criado enrolando uma folha de papel, assim, os CNTs podem ser imaginados como uma única camada de grafite enrolada sobre si mesma. Tubos de formatos diferentes podem ser produzidos enrolando um papel em seu lado comprido, seu lado curto, ou diagonalmente em ângulos. Dependendo da direção de rolamento, uma camada de grafite pode produzir diferentes estruturas de CNT, alguns são condutores e outros são semicondutores; portanto, a criação seletiva de um tipo específico de CNT será fundamental para aplicações futuras, como chips de computador com eficiência energética. Contudo, Os CNTs não são produzidos por laminação, mas crescem nanômetro a nanômetro, adicionar carbono na borda dos nanocilindros, um átomo de cada vez. Contudo, Até a presente data, o entendimento sobre o crescimento do CNT permanece muito limitado e o projeto experimental racional para o crescimento de tipos específicos de CNTs é desafiador.

p Um dos métodos de fabricação mais promissores para CNTs é a deposição química de vapor (CVD). Nesse processo, nanopartículas de metal combinadas com gases contendo carbono formam CNTs dentro de um forno de alta temperatura. Na ponta dos tubos, as nanopartículas de metal desempenham um papel crítico como catalisadores:elas dissociam a fonte de carbono dos gases, e auxiliar na fixação desses átomos de carbono na parede do CNT, tornando os tubos mais longos. O crescimento do CNT termina quando a partícula de catalisador é encapsulada por carbono grafítico ou amorfo.

p Os átomos de carbono são inseridos na interface entre um CNT em crescimento e uma nanopartícula de catalisador em sítios ativos da borda, e estão disponíveis para incorporar novos átomos. Um modelo anterior da taxa de crescimento do CNT mostrou que o último é proporcional à densidade desses sítios ativos na interface entre o CNT e o catalisador, ou a estrutura específica do CNT.

p Neste estudo, os pesquisadores monitoraram o crescimento constante de CNTs em um suporte de óxido de magnésio (MgO) com monóxido de carbono (CO) como matéria-prima de carbono e nanopartículas de cobalto como catalisadores a 700 graus C. As medições experimentais diretas de 16 CNTs mostraram como expandir a teoria anterior . "Foi surpreendente que a taxa de crescimento dos nanotubos de carbono depende apenas do tamanho da partícula do catalisador. Isso implica que nosso entendimento anterior do crescimento dos nanotubos de carbono não foi completo, "diz Maoshuai He, o primeiro autor do artigo.

p Mais especificamente, átomos de carbono que são depositados na superfície da partícula de catalisador podem ser incorporados no lado ativo do CNT ou removidos por agentes de corrosão, como H ₂ , H ₂ O, O ₂ , ou CO ₂ . Para explicar as novas observações experimentais, a equipe incluiu os efeitos da inserção e remoção de carbono durante o crescimento do CNT e descobriu que a taxa de crescimento depende da área de superfície do catalisador e da proporção do diâmetro do tubo.

p "Comparado com o modelo anterior, adicionamos mais três fatores:a taxa de deposição do precursor, a taxa de remoção de carbono por agentes de corrosão, e a taxa de inserção de carbono em uma parede de nanotubo de carbono. Quando a dissociação da matéria-prima não pode ser equilibrada por corrosão de carbono, a taxa de crescimento do nanotubo de carbono não dependerá mais da estrutura do nanotubo de carbono. Por outro lado, a teoria anterior ainda é válida se a gravação estiver dominando, "explica Ding, um líder de grupo do Center for Multidimensional Carbon Materials.

p Interessantemente, a nova teoria de crescimento de CNT leva a um novo mecanismo para cultivar seletivamente um tipo específico de CNTs, denotado como (2n, n) CNTs, que é caracterizado pelo número máximo de sítios ativos na interface entre o CNT e o catalisador. Esta estrutura CNT corresponderia a rolar uma folha de grafite diagonalmente em um ângulo de cerca de 19 graus.

p "Se não houver gravação de carbono e o crescimento do nanotubo de carbono for lento, átomos de carbono na superfície do catalisador irão se acumular, "diz Jin Zhang, co-autor do estudo e professor da Universidade de Pequim, China. "Isso pode levar à formação de carbono grafítico ou amorfo, que são mecanismos estabelecidos de terminação de crescimento de nanotubos de carbono. Nesse caso, apenas nanotubos de carbono que são capazes de adicionar átomos de carbono em suas paredes, isto é, com o maior número de sites ativos - pode sobreviver. "

p Guiado pela nova compreensão teórica, os pesquisadores foram capazes de projetar experimentos que produziram (2n, n) CNTs com seletividade de até 90 por cento:o maior crescimento seletivo deste tipo de CNT foi alcançado na ausência de qualquer agente de condicionamento e com uma alta concentração de matéria-prima.