Исследователи-теоретики из Университета Райса обнаружили, что нанотрубки с отдельными участками граней «зигзаг» и «кресло», растущие из твердого катализатора, гораздо более энергетически стабильны, чем было бы круговое расположение.
Они сообщили, что при правильных обстоятельствах граница раздела между растущей нанотрубкой и ее катализатором может достичь своего самого низкого из известных энергетических состояний за счет двусторонней конфигурации «Януса» с полукругом зигзагов напротив шести кресел.
Эти термины относятся к форме края нанотрубки: зигзагообразный конец нанотрубки выглядит как зуб пилы, а кресло – как ряд сидений с подлокотниками.
Они являются основными краевыми конфигурациями двумерных сот из атомов углерода, известных как графен (а также других двумерных материалов), и определяют многие свойства материалов, особенно электропроводность.
Группа инженеров школы Брауна, состоящая из теоретика материалов Бориса Якобсона, исследователя и ведущего автора Ксении Бец и доцента-исследователя Евгения Пенева, опубликовала свои результаты в журнале Американского химического общества ACS Nano.
Эта теория является продолжением прошлогоднего открытия группы, что интерфейсы Януса, вероятно, образуются на катализаторе из вольфрама и кобальта, что приводит к единственной хиральности, называемой (12,6), рост которой другие лаборатории сообщили в 2014 году.
Команда Райса теперь показывает, что такие структуры не уникальны для конкретного катализатора, но являются общей характеристикой ряда жестких катализаторов. Это потому, что атомы, прикрепляющиеся к краю нанотрубки, всегда ищут свои самые низкие энергетические состояния и случайно находят его в конфигурации Януса, которую они назвали AZ.
«В исследованиях люди предполагали, что геометрия края – круг», – сказал Пенев. "Это интуитивно понятно – можно предположить, что самая короткая кромка – лучшая.
Но мы обнаружили, что у хиральных трубок слегка удлиненный край Януса позволяет им лучше контактировать с твердыми катализаторами. Энергия для этого края может быть довольно низкой."
В конфигурации круга плоские днища кресел опираются на подложку, обеспечивая максимальное количество контактов между катализатором и нанотрубкой, которая растет прямо вверх. (Края Януса заставляют их расти под углом.)
Углеродные нанотрубки – длинные свернутые трубочки из графена – достаточно трудно увидеть в электронный микроскоп. Пока нет возможности наблюдать за основанием нанотрубки, когда она растет снизу вверх в печи химического осаждения из паровой фазы. Но теоретические расчеты энергии атомного уровня, которая проходит между катализатором и нанотрубкой на границе раздела, могут многое рассказать исследователям о том, как они растут.
Это путь, которым лаборатория Райса следовала более десяти лет, натягивая нить, которая показывает, как мельчайшие корректировки роста нанотрубок могут изменить кинетику и, в конечном итоге, как нанотрубки могут быть использованы в приложениях.
«Как правило, введение новых атомов на краю нанотрубки требует нарушения границы раздела между нанотрубкой и подложкой», – сказал Бетс. "Если интерфейс плотный, это будет стоить слишком много энергии.
Вот почему теория роста винтовых дислокаций, предложенная профессором Якобсоном в 2009 году, смогла связать скорость роста с наличием перегибов, участков на краю нанотрубки, которые нарушают плотный контакт углеродной нанотрубки с подложкой.
«Любопытно, что даже несмотря на то, что конфигурация кромок Janus обеспечивает очень плотный контакт с подложкой, она все же сохраняет единственный изгиб, который позволил бы непрерывный рост нанотрубок, как мы продемонстрировали в прошлом году для кобальт-вольфрамового катализатора», – сказал Бетс.
Бетс провел обширное компьютерное моделирование нанотрубок, растущих на трех жестких катализаторах, которые продемонстрировали признаки роста Януса, и еще один «жидкий» катализатор, карбид вольфрама, который не работал. «Поверхность этого катализатора очень подвижна, поэтому атомы могут много двигаться», – сказал Пенев. "Для этого мы не наблюдали четкой сегрегации."
Якобсон сравнил нанотрубки Януса с формой кристаллов Вульфа. «Несколько удивительно, что наш анализ показывает, что реструктурированная граненая кромка энергетически предпочтительна для хиральных трубок», – сказал он. «Предположение, что край с наименьшей энергией должен быть кругом минимальной длины, похоже на предположение, что форма кристалла должна быть сферой с минимальной поверхностью, но мы хорошо знаем, что трехмерные формы имеют грани, а двумерные формы – многоугольники, как это воплощено в конструкции Вульфа.
«Графен по необходимости имеет несколько« сторон », но цилиндр из нанотрубок имеет один обод, что делает анализ энергии другим», – сказал он. «Это поднимает принципиально интересные и практически важные вопросы о соответствующей структуре краев нанотрубок."
Исследователи Райса надеются, что их открытие продвинет их по пути к этим ответам. «Непосредственным следствием этого открытия является смена парадигмы в нашем понимании механизмов роста», – сказал Якобсон. "Это может стать важным в том, как на практике проектировать катализатор для эффективного роста, особенно с контролируемой симметрией нанотрубок, для электронных и оптических приложений."