Instantanés de simulations de dynamique moléculaire montrant la croissance de nanotubes de carbone avec un catalyseur en alliage composé d'atomes de nickel (bleu) et d'or (jaune) par rapport à un catalyseur composé uniquement d'or. (a) Séparation induite par contact des deux éléments métalliques :l'or est moins actif que le nickel et est poussé au sommet du front de croissance. (b) Diffusion directionnelle ultérieure des atomes de carbone (flèches rouges) vers le front de croissance, conduisant à une croissance efficace. (c) Pendant la croissance de nanotubes de carbone avec des catalyseurs monométalliques, la diffusion aléatoire des atomes de carbone entraîne leur accumulation sur la surface supérieure du catalyseur, augmentant le risque d'encapsulation et d'arrêt de croissance. Crédit :IBS
Chercheurs du Centre des matériaux carbonés multidimensionnels, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), ont présenté une solution théorique à un mystère de longue durée de la croissance des nanotubes de carbone (CNT). Publié dans Lettres d'examen physique , cette étude explique pourquoi les nanoparticules fabriquées avec un alliage de métaux aident à synthétiser des NTC plus longs par rapport aux catalyseurs monométalliques conventionnels.
Les NTC sont des nanostructures tubulaires constituées d'atomes de carbone avec des propriétés potentielles intéressantes qui ont tenu les chercheurs à l'affût de nouvelles avancées. L'une des méthodes les plus courantes pour produire des NTC implique des nanoparticules de catalyseur, qui ont pour fonction de faciliter l'ajout d'atomes de carbone de molécules précurseurs aux parois des cylindres. Il est de notoriété publique dans le domaine que les catalyseurs d'alliage, comme Ni-Y, Fe-Mo, Cu-Ni, et Co-Mo, surpasser les autres catalyseurs à un seul métal, mais la raison n'est pas claire.
Les chercheurs de l'IBS ont effectué une simulation de dynamique moléculaire systématique pour explorer le rôle des catalyseurs d'alliage dans la croissance des NTC. "Dans une simulation de dynamique moléculaire, le mouvement de chaque atome peut être clairement vu et, donc, la variation de la forme et de la structure de la particule de catalyseur au cours de la croissance des nanotubes de carbone peut être enregistrée avec précision. Cela nous permet d'aller au-delà de la capacité des meilleures méthodes expérimentales, " explique Feng Ding, un chef de groupe du Centre et auteur correspondant de l'étude.
Grâce aux simulations de dynamique moléculaire, les auteurs ont constaté que les deux métaux de l'alliage sont spatialement séparés au bord des tubes :les NTC ont tendance à attirer les atomes métalliques les plus actifs vers l'extrémité ouverte des cylindres (front de croissance), où des atomes de carbone sont insérés dans la paroi des NTC pendant la croissance, tandis que les atomes métalliques moins actifs sont poussés au-dessus. D'autres simulations montrent qu'il s'agit d'un phénomène général et qu'il peut être appliqué à de nombreux types de catalyseurs en alliage.
Les chercheurs de l'IBS ont également démontré que les catalyseurs en alliage l'emportent sur les nanoparticules monométalliques car les atomes de métal actifs près du bord du CNT attrapent les atomes de carbone plus facilement que les moins actifs. Cela conduira à une concentration en carbone plus importante au niveau du site vicinal du front de croissance des NTC et à un ajout rapide d'atomes de carbone, qui contribuent à la croissance rapide du CNT.
Étant donné que les atomes de carbone sont continuellement incorporés aux NTC en croissance, les précurseurs de carbone ne s'accumulent pas autour des nanoparticules d'alliage. Cela empêche la formation d'une coiffe faite d'atomes de carbone englobant la totalité de la nanoparticule.
"Cette étude théorique aborde une énigme à long terme du rôle des catalyseurs d'alliage dans la croissance des nanotubes de carbone. Elle révèle l'avantage d'utiliser des catalyseurs d'alliage dans la croissance des nanotubes de carbone, et la séparation de phase induite par contact du catalyseur d'alliage peut être considérée comme une règle générale pour guider la conception du catalyseur pour une croissance contrôlable des nanotubes de carbone, " dit Lu Qiu, le premier auteur de l'étude.
