УНТ – это невероятно прочные и легкие наноматериалы, изготовленные из углерода, с превосходной допустимой нагрузкой по току и очень высокой теплопроводностью, что делает их идеальными для электронных приложений. Хотя УНТ считаются одними из самых интересных материалов будущего, ученые все еще борются за их управляемый синтез.
По форме УНТ можно сравнить с бумажными трубками: так же, как цилиндр можно создать, свернув лист бумаги, УНТ можно представить как один слой графита, намотанный на себя. Точно так же, поскольку разные трубки можно изготавливать, наматывая бумагу вокруг длинной стороны, короткой стороны или по диагонали под разными углами.
В зависимости от направления прокатки слой графита может создавать различные структуры УНТ, одни из которых являются проводящими, а другие – полупроводниковыми, поэтому выборочное создание УНТ определенного типа будет ключевым для их будущего использования, например для создания энергоэффективных компьютерных микросхем. Однако УНТ не производятся путем прокатки, а выращиваются нанометр за нанометром, добавляя углерод на ободе наноцилиндров, по одному атому за раз. Несмотря на различные исследования в течение последних трех десятилетий, понимание роста УНТ остается очень ограниченным, и рациональный экспериментальный дизайн для роста определенных типов УНТ является сложной задачей.
Одним из наиболее перспективных методов производства УНТ является химическое осаждение из газовой фазы (CVD). В этом процессе наночастицы металлов в сочетании с углеродсодержащими газами образуют УНТ внутри высокотемпературной печи. На кончике трубок металлические наночастицы играют решающую роль в качестве катализаторов: они отделяют источник углерода от газов и способствуют прикреплению этих атомов углерода к стенке УНТ, делая трубки длиннее и длиннее.
Рост УНТ прекращается, когда частица катализатора инкапсулируется графитовым или аморфным углеродом.
Атомы углерода вставляются на поверхность раздела между растущей УНТ и наночастицей катализатора, в активных центрах обода, и доступны для включения новых атомов. Предыдущая модель скорости роста УНТ показала, что последняя пропорциональна плотности этих активных центров на границе раздела между УНТ и катализатором или конкретной структуре УНТ.
В этом исследовании исследователи наблюдали устойчивый рост УНТ на носителе из оксида магния (MgO) с монооксидом углерода (CO) в качестве углеродного сырья и наночастицами кобальта в качестве катализаторов при температуре 700 ° C. Прямые экспериментальные измерения 16 УНТ показали, как расширить предыдущую теорию. «Было удивительно, что скорость роста углеродных нанотрубок зависит только от размера частицы катализатора. Это означает, что наше предыдущее понимание роста углеродных нанотрубок не было полным », – говорит Маошуай Хэ, первый автор статьи.
Более конкретно, атомы углерода, которые осаждаются на поверхности частиц катализатора, могут быть либо включены на активную сторону УНТ, либо удалены травильными агентами, такими как H2, H2O, O2 или CO2.
Чтобы объяснить новые экспериментальные наблюдения, команда учла эффекты введения и удаления углерода во время роста УНТ и обнаружила, что скорость роста зависит от площади поверхности катализатора и соотношения диаметров трубки.
«По сравнению с предыдущей моделью мы добавили еще три фактора: скорость осаждения прекурсора, скорость удаления углерода травильными агентами и скорость внедрения углерода в стенку углеродной нанотрубки. Когда диссоциация сырья не может быть уравновешена травлением углерода, скорость роста углеродных нанотрубок больше не будет зависеть от структуры углеродных нанотрубок. С другой стороны, предыдущая теория все еще верна, если травление является доминирующим », – объясняет Дин, руководитель группы Центра многомерных углеродных материалов.
Интересно, что новая теория роста УНТ приводит к новому механизму селективного роста УНТ определенного типа, обозначенного как (2n, n) УНТ, который характеризуется максимальным количеством активных центров на границе раздела между УНТ и катализатором. Такая структура УНТ соответствует раскатыванию листа графита по диагонали под углом около 19 градусов.
«Если не происходит травления углерода и рост углеродных нанотрубок идет медленно, атомы углерода на поверхности катализатора будут накапливаться», – говорит Цзинь Чжан, соавтор исследования и профессор Пекинского университета, Китай. «Это может привести к образованию графитового или аморфного углерода, которые являются установленными механизмами прекращения роста углеродных нанотрубок.
В этом случае выжить могут только углеродные нанотрубки, которые могут присоединять атомы углерода к своим стенкам, то есть с наибольшим количеством активных центров."
Руководствуясь новым теоретическим пониманием, исследователи смогли разработать эксперименты, которые позволили получить (2n, n) УНТ с селективностью до 90%: самый высокий селективный рост этого типа УНТ был достигнут в отсутствие какого-либо травителя и с высокой концентрацией сырья.