¿Cuándo es un círculo menos estable que un bucle irregular? Aparentemente cuando se trata de nanotubos de carbono.
Los investigadores teóricos de la Universidad de Rice han descubierto que los nanotubos con secciones segregadas de facetas "zigzag" y "sillón" que crecen a partir de un catalizador sólido son mucho más enérgicamente estables de lo que sería una disposición circular.
En las circunstancias correctas, informaron, la interfaz entre un nanotubo en crecimiento y su catalizador puede alcanzar su estado de energía más bajo conocido a través de la configuración "Janus" de dos caras, con un semicírculo de zigzags frente a seis sillones.
Los términos se refieren a la forma del borde del nanotubo: el extremo de un nanotubo en zigzag parece un diente de sierra, mientras que un sillón es como una fila de asientos con reposabrazos. Son las configuraciones básicas del borde del panal bidimensional de átomos de carbonoconocido como grafeno así como otros materiales 2D y determina muchas de las propiedades de los materiales, especialmente la conductividad eléctrica.
El equipo de teóricos de materiales de la Escuela de Ingeniería Brown, Boris Yakobson, el investigador y autor principal Ksenia Bets y el profesor asistente de investigación Evgeni Penev informaron sus resultados en la revista American Chemical Society ACS Nano .
La teoría es una continuación del descubrimiento del equipo el año pasado de que es probable que las interfaces de Janus se formen en un catalizador de tungsteno y cobalto, lo que lleva a una quiralidad única, llamada 12,6, que otros laboratorios informaron haber crecido en 2014.
El equipo de Rice ahora muestra que tales estructuras no son exclusivas de un catalizador específico, sino que son una característica general de varios catalizadores rígidos. Esto se debe a que los átomos que se adhieren al borde de los nanotubos siempre buscan sus estados de energía más bajos y sucedenencuéntrelo en la configuración de Janus que llamaron AZ.
"La gente ha asumido en los estudios que la geometría del borde es un círculo", dijo Penev. "Eso es intuitivo, es normal suponer que el borde más corto es el mejor. Pero encontramos para los tubos quirales el borde ligeramente alargado de Janusle permite estar en contacto mucho mejor con catalizadores sólidos. La energía para este borde puede ser bastante baja ".
En la configuración circular, los fondos planos del sillón descansan sobre el sustrato, proporcionando el número máximo de contactos entre el catalizador y el nanotubo, que crece hacia arriba los bordes de Janus los obligan a crecer en ángulo.
Los nanotubos de carbono - tubos largos y enrollados de grafeno - son lo suficientemente difíciles de ver con un microscopio electrónico. Todavía no hay forma de observar la base de un nanotubo a medida que crece de abajo hacia arriba en una deposición química de vaporhorno, pero los cálculos teóricos de la energía a nivel de átomo que pasa entre el catalizador y el nanotubo en la interfaz pueden informar a los investigadores mucho sobre cómo crecen.
Ese es un camino que el laboratorio de Rice ha seguido durante más de una década, tirando del hilo que revela cómo los pequeños ajustes en el crecimiento de nanotubos pueden cambiar la cinética y, en última instancia, cómo los nanotubos pueden usarse en las aplicaciones.
"En general, la inserción de nuevos átomos en el borde del nanotubo requiere romper la interfaz entre el nanotubo y el sustrato", dijo Bets. "Si la interfaz está apretada, costaría demasiada energía. Es por eso que el crecimiento de la dislocación del tornilloLa teoría propuesta por el profesor Yakobson en 2009 fue capaz de conectar la tasa de crecimiento con la presencia de torceduras, los sitios en el borde de los nanotubos que interrumpen el estrecho contacto de los nanotubos con el carbono.
"Curiosamente, a pesar de que la configuración de borde de Janus permite un contacto muy estrecho con el sustrato, todavía conserva una sola torcedura que permitiría el crecimiento continuo de nanotubos, como demostramos el año pasado para el catalizador de tungsteno de cobalto", dijo Bets.
Bets realizó simulaciones informáticas extensas para modelar nanotubos que crecen en tres catalizadores rígidos que mostraron evidencia de crecimiento de Janus y un catalizador "fluido" más, carburo de tungsteno, que no lo hizo ". La superficie de ese catalizador es muy móvil, por lo que los átomos puedenmoverse mucho ", dijo Penev." Para eso, no observamos una segregación clara ".
Yakobson comparó los nanotubos de Janus con la forma de cristales de Wulff. "Es algo sorprendente que nuestro análisis sugiera que un borde facetado y reestructurado se favorezca energéticamente para los tubos quirales", dijo. "Suponiendo que el borde de energía más bajo debe ser de longitud mínimaEl círculo es como asumir que una forma de cristal debe ser una esfera de superficie mínima, pero sabemos bien que las formas 3D tienen facetas y las formas 2D son polígonos, como lo resume la construcción de Wulff.
"El grafeno tiene por necesidad varios 'lados', pero un cilindro de nanotubos tiene un borde, lo que hace que el análisis de energía sea diferente", dijo. "Esto plantea preguntas fundamentalmente interesantes y prácticamente importantes sobre la estructura relevante de los bordes de los nanotubos".
Los investigadores de Rice esperan que su descubrimiento los haga avanzar en el camino hacia esas respuestas. "La implicación inmediata de este hallazgo es un cambio de paradigma en nuestra comprensión de los mecanismos de crecimiento", dijo Yakobson. "Eso puede ser importante en la forma en que uno diseña prácticamenteel catalizador para un crecimiento eficiente, especialmente del tipo de simetría de nanotubos controlados, para la utilidad electrónica y óptica ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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