(Phys.org) -- À la bonne température, avec le bon catalyseur, il n'y a aucune raison pour un nanotube de carbone monoparoi parfait 50, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain ne peut pas pousser d'un mètre de long.

Ce calcul est l'un des résultats d'une étude menée par des collaborateurs de Rice, Hong Kong Polytechnic et les universités Tsinghua qui ont exploré le mécanisme d'auto-guérison qui pourrait rendre possible une croissance aussi extraordinaire. C'est important pour les scientifiques qui considèrent les nanotubes de carbone de haute qualité comme essentiels aux matériaux avancés et, s'ils peuvent être tissés en longs câbles, distribution d'électricité sur le réseau du futur.

Le rapport publié en ligne par Lettres d'examen physique est du physicien théoricien Rice Boris Yakobson; Feng Ding, un professeur assistant adjoint à Rice et un professeur assistant à Hong Kong Polytechnic; auteur principal Qinghong Yuan, chercheur postdoctoral à Hong Kong Polytechnic; et Zhiping Xu, professeur d'ingénierie mécanique à Tsinghua et ancien chercheur postdoctoral à Rice.

Ils ont déterminé que le fer est le meilleur et le plus rapide parmi les catalyseurs courants pour la guérison des défauts topologiques - des anneaux avec trop ou trop peu d'atomes - qui bouillonnent inévitablement lors de la formation des nanotubes et affectent leurs précieuses propriétés électroniques et physiques. La bonne combinaison de facteurs, principalement la température, conduit à une cicatrisation cinétique dans laquelle les atomes de carbone égarés sont redirigés pour former les hexagones énergétiquement favorables qui composent les nanotubes et leur cousin plat, graphène. L'équipe a utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité pour analyser les énergies nécessaires à la transformation.

"Il est surprenant que la guérison de tous les défauts potentiels - pentagones, heptagones et leurs paires - pendant la croissance des nanotubes de carbone est assez facile, " dit Ding, qui était chercheur au laboratoire Rice de Yakobson de 2005 à 2009. Le taux de guérison des défauts est incroyable. Si nous considérons les hexagones comme des gentils et les autres comme des méchants, il n'y aurait qu'un seul méchant sur Terre.

Les énergies associées à chaque atome de carbone déterminent comment il trouve sa place dans la forme en fil de poulet d'un nanotube, dit Yakobson, Chaire d'ingénierie Karl F. Hasselmann de Rice et professeur de science des matériaux et de génie mécanique et de chimie. Mais il y a eu un long débat parmi les scientifiques sur ce qui se passe réellement à l'interface entre le catalyseur et un tube en croissance.

« Il y a eu deux hypothèses, », a déclaré Yakobson. « L'un des plus populaires était que des défauts sont créés assez fréquemment et pénètrent dans la paroi du tube, mais plus tard, ils se recuisent. Il y a une sorte de processus de réparation. Une autre hypothèse est qu'ils ne se forment pratiquement pas du tout, ce qui semble assez déraisonnable.

« Tout cela n'était que paroles; il n'y a pas eu d'analyse quantitative. Et c'est là que ce travail apporte une contribution importante. Il évalue quantitativement, basé sur des calculs de pointe, précisément à quelle vitesse ce recuit peut avoir lieu, selon l'endroit, " a-t-il dit.

Un nanotube se développe dans un four à mesure que des atomes de carbone sont ajoutés, un par un, au catalyseur. C'est comme construire d'abord le sommet d'un gratte-ciel et ajouter des briques au fond. Mais parce que ces briques sont ajoutées à un rythme effréné - des millions en quelques minutes - des erreurs peuvent se produire, modifier la structure.

En théorie, si un cycle a cinq ou sept atomes au lieu de six, cela fausserait la façon dont tous les atomes suivants dans la chaîne s'orientent; un pentagone isolé transformerait le nanotube en cône, et un heptagone en ferait une corne, dit Yakobson.

Mais les calculs ont également montré que de tels défauts isolés ne peuvent pas exister dans une paroi de nanotubes; ils apparaîtraient toujours en 5/7 paires. Cela facilite une solution rapide :si un atome peut être invité à passer de l'heptagone au pentagone, les deux anneaux montent six.

Les chercheurs ont découvert que la transition même se produit mieux lorsque les nanotubes de carbone sont cultivés à des températures d'environ 930 kelvins (1, 214 degrés Fahrenheit). C'est l'optimum pour la guérison avec un catalyseur de fer, qui, selon les chercheurs, a la barrière énergétique et l'énergie de réaction les plus faibles parmi les trois catalyseurs courants considérés, y compris le nickel et le cobalt.

Une fois qu'un 5/7 se forme à l'interface entre le catalyseur et le nanotube en croissance, la guérison doit se faire très rapidement. Les nouveaux atomes supplémentaires poussent le défaut dans la paroi du nanotube, moins il est probable qu'il soit guéri, ils ont déterminé; à plus de quatre atomes du catalyseur, le défaut est verrouillé.

Un contrôle strict des conditions dans lesquelles les nanotubes se développent peut les aider à s'auto-corriger à la volée. Les erreurs de placement des atomes sont détectées et corrigées en une fraction de milliseconde, avant qu'ils ne fassent partie de la paroi des nanotubes.

Les chercheurs ont également déterminé par des simulations que plus la croissance est lente, plus un nanotube parfait peut être long. Un nanotube croissant d'environ 1 micromètre par seconde à 700 kelvins pourrait potentiellement atteindre le cap du mètre, ils ont trouvé.