(PhysOrg.com) -- Le laboratoire de recherche de l'Air Force à Dayton, Ohio, a confirmé expérimentalement une théorie du professeur Boris Yakobson de l'Université Rice qui prédisait une paire de propriétés intéressantes sur la croissance des nanotubes :que la chiralité d'un nanotube contrôle la vitesse de sa croissance, et que les nanotubes de fauteuil devraient croître le plus rapidement.

Le travail est un pas sûr vers la définition de tous les mystères inhérents à ce que Yakobson appelle le « code ADN des nanotubes, " les paramètres qui déterminent leur chiralité -- ou angle de croissance -- et donc leur puissance électrique, propriétés optiques et mécaniques. Développer la capacité de faire croître des lots de nanotubes avec des caractéristiques spécifiques est un objectif essentiel de la recherche à l'échelle nanométrique.

Le nouvel article du chercheur principal de l'Air Force Benji Maruyama; ancien collègue de l'Air Force Rahul Rao, maintenant au Honda Research Institute en Ohio; Yakobson et leurs co-auteurs sont apparus cette semaine dans la version en ligne de la revue Matériaux naturels .

C'est un dénouement intéressant dans une saga qui a commencé avec un article de 2009 de Yakobson et de ses collaborateurs. Ce papier, qui a présenté la théorie de la dislocation du physicien théoricien de la croissance contrôlée par la chiralité, ont décrit comment les nanotubes émergent comme si de simples fils d'atomes se tissaient dans les tubes en forme de fil de poulet désormais familiers. Cela a également suscité un peu de controverse sur la signification précise des résultats.

"Boris a pris de la chaleur à cause de ça, " Maruyama a dit. " Les travaux expérimentaux là-bas ont indiqué que sa théorie pourrait être vraie, mais ils n'ont pas pu le confirmer. Ce qui est bien avec notre travail, c'est qu'il est assez clair."

Yakobson, Karl F. Hasselmann de Rice, professeur de génie mécanique et de science des matériaux et professeur de chimie, a tout pris dans la foulée. « La critique n'a rien affecté ; c'était en fait la meilleure publicité et la meilleure motivation pour un travail ultérieur, " dit-il. " En fait, (Le pionnier des nanotubes Sumio) Iijima a noté très tôt que « l'hélicité peut favoriser la croissance ». Nous l'avons transformé en une équation vérifiable."

La confirmation expérimentale d'une théorie n'est jamais définitive mais toujours satisfaisante, il admit, et le laboratoire de l'Air Force était équipé de manière unique pour prouver le lien entre la vitesse de croissance d'un nanotube et son angle chiral.

La chiralité d'un nanotube à paroi unique est déterminée par la façon dont ses atomes de carbone sont « roulés ». Yakobson l'a décrit comme semblable à rouler un journal; parfois le type s'aligne, et parfois non. Cet alignement détermine les propriétés électriques des nanotubes. Fauteuil métallique nanotubes, ainsi nommés pour la forme de leurs bords non coiffés, sont particulièrement souhaitables car les électrons passent de bout en bout sans résistance, tandis que les nanotubes semi-conducteurs sont utiles pour l'électronique, entre autres applications.

Rao a développé une technique dans le laboratoire de Maruyama pour mesurer les taux de croissance de nanotubes individuels. "C'est une configuration impressionnante, " Yakobson a déclaré. "Ils peuvent faire pousser des tubes individuels à très faible densité et identifier leurs signatures - leur chiralité - et en même temps mesurer à quelle vitesse ils se développent."

La technique impliquait de monter des nanoparticules de catalyseur sur des piliers de silicium microscopiques et de tirer dessus avec des lasers étroitement contrôlés. La chaleur du laser a déclenché la croissance des nanotubes grâce à une technique standard appelée dépôt chimique en phase vapeur, et en même temps, les chercheurs ont analysé les croissances de nanotubes par spectroscopie Raman.

A partir des spectres, ils pouvaient dire à quelle vitesse un nanotube se développait et à quel moment la croissance s'arrêtait. Les images ultérieures au microscope électronique ont confirmé que les spectres provenaient de nanotubes individuels à paroi unique, tandis que les angles chiraux ont été déterminés en comparant les spectres Raman post-croissance et les diamètres des nanotubes au tracé de Kataura, qui cartographie la chiralité en fonction de la bande interdite et du diamètre.

Ils ont noté dans l'article que les résultats fournissent une base pour de nouvelles recherches sur la croissance de types spécifiques de nanotubes. "Maintenant que nous savons quel est le taux de croissance d'un nanotube de chiralité particulier, on pourrait penser à essayer d'atteindre la croissance de cette chiralité spécifique en influençant les conditions de croissance en conséquence, " dit Rao. " Alors, essentiellement, nous avons maintenant un autre « bouton » à tourner. »

« Ce travail est à un stade de développement très précoce, et tout tourne autour de la post-nucléation, " a déclaré Yakobson. " La nucléation définit ce que je considère comme le code génétique - très primitif par rapport à la biologie - qui détermine la chiralité et la vitesse de croissance d'un nanotube. " Il a dit qu'il serait peut-être possible un jour de dicter la forme d'un nanotube. comme il commence à bouillonner d'un catalyseur, "mais il faudra beaucoup d'ingéniosité."

Yakobson a révélé l'année dernière une formule qui définissait la probabilité de nucléation à travers les énergies de bord pour le graphène, qui est essentiellement un nanotube coupé et aplati. Mais la théorie de la dislocation antérieure et connexe s'applique à la croissance suivante, et s'il est confirmé davantage, il peut s'avérer être son chef-d'œuvre.

"La théorie de la dislocation de la croissance est élégante et simple, " a déclaré Rao. " Il est encore trop tôt pour dire que c'est le seul mécanisme de croissance, mais Boris devrait avoir beaucoup de crédit pour avoir proposé cette idée audacieuse en premier lieu. »