Oddball edge gana el concurso de nanotubos
¿Cuándo un círculo es menos estable que un bucle dentado? Aparentemente cuando hablas de Nanotubos de carbono.
Investigadores de la Universidad de Rice han determinado que un extraño borde de'Janus' de dos caras es más común de lo que se pensaba anteriormente para los nanotubos de carbono que crecen en un catalizador rígido. El nanotubo convencional a la izquierda tiene facetas que forman un círculo, permitiendo que el nanotubo crezca directamente desde el catalizador. Pero descubrieron que el nanotubo a la derecha, con un borde inclinado de Janus que tiene secciones segregadas de configuraciones en zigzag y sillón, es mucho más favorecido energéticamente cuando se cultivan nanotubos de carbono a través de la deposición química de vapor.
Illustration by Evgeni Penev/Rice University
Los investigadores teóricos de la Universidad de Rice han descubierto que los nanotubos con secciones segregadas de facetas en "zigzag" y "sillón" que crecen a partir de un catalizador sólido son mucho más estables energéticamente de lo que lo sería una disposición circular.
Bajo las circunstancias adecuadas, 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 de dos caras "Janus", con un semicírculo de zigzag frente a seis sillones.
Los términos se refieren a la forma del borde del nanotubo: El extremo de un nanotubo en zigzag se parece a un diente de sierra, mientras que un sillón es como una fila de asientos con reposabrazos. Son las configuraciones básicas de los bordes del panal bidimensional de átomos de carbono conocido como grafeno (así como otros materiales 2D) y determinan muchas de las propiedades de los materiales, especialmente la conductividad eléctrica.
El equipo del teórico de materiales de la Brown School of Engineering Boris Yakobson, la investigadora y autora principal Ksenia Bets y el profesor asistente de investigación Evgeni Penev reportaron sus resultados en la revista ACS Nano de la American Chemical Society.
La teoría es una continuación del descubrimiento del equipo el año pasado de que es probable que las interfaces Janus se formen en un catalizador de tungsteno y cobalto, lo que conduce a una única quiralidad, llamada (12,6), que otros laboratorios habían reportado que crecería 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 un número de catalizadores rígidos. Esto se debe a que los átomos que se adhieren al borde del nanotubo siempre buscan sus estados de energía más bajos, y por casualidad lo encuentran en la configuración Janus que ellos denominaron AZ.
"La gente ha asumido en los estudios que la geometría del borde es un círculo", dijo Penev. "Eso es intuitivo - es normal asumir que el borde más corto es el mejor. Pero encontramos que para los tubos quirales el borde ligeramente alargado de Janus le permite estar en mucho mejor contacto con los 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 máximo número de contactos entre el catalizador y el nanotubo, que crece en línea recta. (Los bordes de Janus les 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. Hasta ahora no hay manera de observar la base de un nanotubo ya que crece de abajo hacia arriba en un horno de deposición de vapor químico. Pero los cálculos teóricos de la energía a nivel del átomo que pasa entre el catalizador y el nanotubo en la interfaz pueden decir mucho a los investigadores 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 los nanotubos pueden cambiar la cinética y, en última instancia, cómo los nanotubos pueden ser utilizados en aplicaciones.
"Generalmente, 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 es estrecha, costaría demasiada energía. Es por eso que la teoría de crecimiento de la dislocación del tornillo propuesta por el profesor Yakobson en 2009 fue capaz de conectar la tasa de crecimiento con la presencia de dobleces, los sitios en el borde del nanotubo que interrumpen el estrecho contacto entre el sustrato y el nanotubo de carbono.
"Curiosamente, aunque la configuración del borde de Janus permite un contacto muy estrecho con el sustrato, aún conserva un solo pliegue que permitiría el crecimiento continuo de nanotubos, como demostramos el año pasado para el catalizador de cobalto de tungsteno", dijo Bets.
Bets realizó extensas simulaciones por computadora para modelar nanotubos que crecían sobre tres catalizadores rígidos que mostraban evidencia de crecimiento de Janus y otro catalizador "fluido", el carburo de tungsteno, que no lo hacía. "La superficie de ese catalizador es muy móvil, por lo que los átomos pueden moverse mucho", dijo Penev. "Por eso, no observamos una clara segregación."
Yakobson comparó los nanotubos de Janus con la forma de Wulff de los cristales. "Es un tanto sorprendente que nuestro análisis sugiera que un borde reestructurado y facetado es energéticamente favorecido para los tubos quirales", dijo. "Asumiendo que el borde de energía más bajo debe ser un círculo de longitud mínima 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 personifica la construcción de Wulff.
"El grafeno tiene por necesidad varios'lados', pero un cilindro de nanotubo tiene una llanta, lo que hace que el análisis de energía sea diferente", dijo. "Esto plantea cuestiones de interés fundamental y de importancia práctica 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. "Esto puede llegar a ser importante en la forma en que uno prácticamente diseña el catalizador para un crecimiento eficiente, especialmente del tipo de simetría controlada de nanotubos, para la utilidad electrónica y óptica.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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