Quand un cercle est-il moins stable qu'une boucle dentelée ? Apparemment quand on parle de nanotubes de carbone.

Des chercheurs théoriques de l'Université Rice ont découvert que les nanotubes avec des sections séparées de facettes en "zigzag" et en "fauteuil" poussant à partir d'un catalyseur solide sont beaucoup plus stables énergétiquement qu'un arrangement circulaire.

Dans les bonnes circonstances, ils ont rapporté, l'interface entre un nanotube en croissance et son catalyseur peut atteindre son état énergétique le plus bas connu via la configuration "Janus" à deux faces, avec un demi-cercle de zigzags en face de six fauteuils.

Les termes font référence à la forme du bord du nanotube :l'extrémité d'un nanotube en zigzag ressemble à une dent de scie, tandis qu'un fauteuil est comme une rangée de sièges avec accoudoirs. Ce sont les configurations de bord de base du nid d'abeilles bidimensionnel d'atomes de carbone connu sous le nom de graphène (ainsi que d'autres matériaux 2-D) et déterminent de nombreuses propriétés des matériaux, en particulier la conductivité électrique.

L'équipe de la Brown School of Engineering du théoricien des matériaux Boris Yakobson, la chercheuse et auteure principale Ksenia Bets et le professeur assistant de recherche Evgeni Penev ont publié leurs résultats dans la revue American Chemical Society ACS Nano .

La théorie est une continuation de la découverte de l'équipe l'année dernière que les interfaces Janus sont susceptibles de se former sur un catalyseur de tungstène et de cobalt, conduisant à une chiralité unique, appelé (12, 6), que d'autres laboratoires avaient signalé avoir augmenté en 2014.

L'équipe Rice montre maintenant que de telles structures ne sont pas propres à un catalyseur spécifique, mais sont une caractéristique générale d'un certain nombre de catalyseurs rigides. C'est parce que les atomes qui s'attachent au bord du nanotube recherchent toujours leurs états d'énergie les plus bas, et il arrive de le trouver dans la configuration Janus qu'ils ont nommée AZ.

"Les gens ont supposé dans les études que la géométrie du bord est un cercle, " Penev a déclaré. "C'est intuitif, il est normal de supposer que le bord le plus court est le meilleur. Mais nous avons trouvé pour les tubes chiraux que le bord Janus légèrement allongé lui permet d'être en bien meilleur contact avec les catalyseurs solides. L'énergie pour ce bord peut être assez faible."

Dans la configuration du cercle, les fonds plats des fauteuils reposent sur le substrat, assurer le maximum de contacts entre le catalyseur et le nanotube, qui pousse tout droit. (Les bords de Janus les forcent à se développer sous un angle.)

Nanotubes de carbone—longs, tubes de graphène enroulés—sont assez difficiles à voir avec un microscope électronique. Pour l'instant, il n'y a aucun moyen d'observer la base d'un nanotube lorsqu'il croît de bas en haut dans un four de dépôt chimique en phase vapeur. Mais les calculs théoriques de l'énergie au niveau de l'atome qui passe entre le catalyseur et le nanotube à l'interface peuvent en dire beaucoup aux chercheurs sur leur croissance.

C'est une voie que le laboratoire Rice a suivie pendant plus d'une décennie, tirer sur le fil qui révèle comment de minuscules ajustements dans la croissance des nanotubes peuvent changer la cinétique, et enfin comment les nanotubes peuvent être utilisés dans des applications.

"Généralement, l'insertion de nouveaux atomes au bord du nanotube nécessite de rompre l'interface entre le nanotube et le substrat, " Bets dit. " Si l'interface est serrée, cela coûterait trop d'énergie. C'est pourquoi la théorie de la croissance des dislocations vis proposées par le professeur Yakobson en 2009 a pu relier le taux de croissance à la présence de plis, les sites sur le bord du nanotube qui perturbent le contact étroit nanotube de carbone-substrat.

"Avec curiosité, même si la configuration des bords Janus permet un contact très étroit avec le substrat, elle conserve toujours un seul pli qui permettrait une croissance continue des nanotubes, comme nous l'avons démontré l'année dernière pour le catalyseur cobalt tungstène, ", a déclaré Paris.

Bets a effectué des simulations informatiques approfondies pour modéliser des nanotubes poussant sur trois catalyseurs rigides qui ont montré des preuves de croissance de Janus et un autre catalyseur "fluide", le carbure de tungstène, cela n'a pas été le cas. "La surface de ce catalyseur est très mobile, donc les atomes peuvent bouger beaucoup, " dit Penev. " Pour celui-là, nous n'avons pas observé de ségrégation claire."

Yakobson a comparé les nanotubes de Janus à la forme de cristaux de Wulff. "Il est quelque peu surprenant que notre analyse suggère une restructuration, le bord facetté est énergétiquement favorisé pour les tubes chiraux, ", a-t-il déclaré. "En supposant que le bord d'énergie la plus faible doit être un cercle de longueur minimale, c'est comme supposer qu'une forme de cristal doit être une sphère de surface minimale, mais nous savons bien que les formes 3D ont des facettes et les formes 2D sont des polygones , comme incarné par la construction Wulff.

"Le graphène a nécessairement plusieurs côtés, ' mais un cylindre de nanotubes a une jante, rendre l'analyse énergétique différente, ", a-t-il déclaré. "Cela soulève des questions fondamentalement intéressantes et pratiquement importantes sur la structure pertinente des bords des nanotubes."

Les chercheurs de Rice espèrent que leur découverte les fera avancer sur la voie de ces réponses. "L'implication immédiate de cette découverte est un changement de paradigme dans notre compréhension des mécanismes de croissance, " Yakobson a déclaré. " Cela peut devenir important dans la façon dont on conçoit pratiquement le catalyseur d'une croissance efficace, notamment de type nanotube à symétrie contrôlée, pour l'utilité électronique et optique."