Автор: AZoNano Июль 30 2019 199 ]

Можно сказать, что круг менее стабилен, чем неровная петля, но это, очевидно, будет верно, если говорить о углеродных нанотрубках.

Теперь теоретические исследователи из Университета Райса обнаружили, что нанотрубки с изолированными участками граней «кресло» и «зигзаг», выходящие из твердого катализатора, относительно более энергетически устойчивы по сравнению с круговой конфигурацией.

По словам команды, интерфейс между появляющейся нанотрубкой и ее катализатором может достигать своего самого низкого энергетического состояния при правильных условиях. Это произошло бы через двухстороннее расположение «Янус» с зигзагообразным полукругом напротив шести кресел. Эти термины указывают на форму края нанотрубки – конец зигзагообразной нанотрубки похож на зуб пилы, в то время как кресло выглядит как ряд сидений с подлокотниками.

Они представляют собой элементарные граничные конфигурации двумерной соты атомов углерода, называемой графеном (а также другими двумерными материалами), и устанавливают большинство характеристик материалов, в частности, электропроводность.

В инженерной школе Джорджа Р. Брауна исследовательская группа, в которую вошли доцент-исследователь Евгений Пенев, теоретик материалов Борис Якобсон и ведущий автор и исследователь Ксения Бетс, опубликовала результаты исследования в журнале Американского химического общества. ACS Nano .

Эта концепция является продолжением открытия исследователей, сделанного в прошлом году, о том, что двуликие интерфейсы Януса могут развиваться на катализаторе из кобальта и вольфрама. Это привело бы к одной хиральности, называемой (12,6), которая была выращена другими лабораториями в 2014 году.

В настоящее время команда Университета Райса продемонстрировала, что, хотя подобные структуры не являются исключительными для конкретного катализатора, они являются стандартной характеристикой нескольких жестких катализаторов. Это происходит потому, что атомы, связывающие себя с краем нанотрубки, непрерывно ищут свои состояния с самой низкой энергией, и они случайно находят их в конфигурации Януса, которая случайно была названа командой A | Z.

Люди предположили в исследованиях, что геометрия края является кругом. Это интуитивно понятно – нормально предположить, что самый короткий край – лучший. Но мы обнаружили, что для хиральных трубок слегка вытянутый край Януса позволяет ему гораздо лучше контактировать с твердыми катализаторами. Энергия для этого края может быть довольно низкой .

Евгений Пенев, доцент, профессор, инженерная школа им. Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

Плоские днища кресла в форме круга опираются на подложку, обеспечивая максимальное количество контактов между нанотрубкой и катализатором; нанотрубка растет напрямую. (Нанотрубка вынуждена краями Януса расти под определенным углом.)

Углеродные нанотрубки представляют собой удлиненные свернутые трубки графена, которые не могут быть легко видны через электронный микроскоп. На сегодняшний день не существует метода для просмотра дна нанотрубки, когда она выходит снизу вверх в печи химического осаждения из паровой фазы. Тем не менее, гипотетические расчеты энергии на уровне атомов, проходящей между нанотрубкой и катализатором на границе раздела, могут дать исследователям много информации о том, как растут эти нанотрубки.

Лаборатория Райса более 10 лет следовала этому же пути, пытаясь понять, каким образом небольшие изменения, сделанные во время роста нанотрубок, могут изменить кинетику, и как эти продукты могут в конечном итоге использоваться в приложениях.

Как правило, для вставки новых атомов на кромке нанотрубки требуется разрыв границы раздела между нанотрубкой и подложкой. Если интерфейс плотный, это будет стоить слишком много энергии. Вот почему теория роста винтовых дислокаций, предложенная профессором Якобсоном в 2009 году, смогла связать скорость роста с наличием изломов, участков на краю нанотрубки, которые разрушают плотный контакт углеродная нанотрубка-подложка .

Ксения Бетс, ведущий автор и исследователь, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

« Любопытно, что, хотя конфигурация краев Janus обеспечивает очень плотный контакт с подложкой, она все еще сохраняет один излом, который обеспечит непрерывный рост нанотрубок, как мы продемонстрировали в прошлом году для кобальтово-вольфрамового катализатора », Бетс добавлен.

Чтобы смоделировать нанотрубки, растущие на трех твердых катализаторах, Бетс провела сложные компьютерные симуляции, которые показали доказательство роста нанотрубок Януса и дополнительного «жидкого» катализатора, называемого карбидом вольфрама, который не рос.

« Поверхность этого катализатора очень подвижна, поэтому атомы могут много двигаться », – заявил Пенев. « Для этого мы не наблюдали четкой сегрегации .»

Якобсон сравнил эти нанотрубки Януса с формой Вульфа кристаллов.

Несколько удивительно, что наш анализ показывает, что реструктурированный граненый край энергетически предпочтителен для киральных трубок. Предполагая, что нижний энергетический край должен быть кругом минимальной длины, это все равно, что предполагать, что форма кристалла должна быть сферой минимальной поверхности, но мы хорошо знаем, что трехмерные фигуры имеют грани, а двумерные фигуры являются многоугольниками, что воплощено в конструкции Вульфа .

Борис Якобсон, теоретик материаловедения, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

Якобсон продолжил: « графен имеет по необходимости несколько« сторон », но у цилиндра из нанотрубок есть один обод, что делает анализ энергии другим. Это поднимает принципиально интересные и практически важные вопросы о соответствующей структуре краев нанотрубок . »

Ученые полагают, что их последние открытия приведут их по пути к этим ответам. « Непосредственным следствием этого открытия является изменение парадигмы в нашем понимании механизмов роста », – добавил Якобсон. « Это может стать важным в том, как практически конструируют катализатор для эффективного роста, особенно типа симметрии с контролируемыми нанотрубками, для электронной и оптической полезности ».

Якобсон – профессор кафедры материаловедения, наноинженерии и химии им. Карла Ф. Хассельмана. Исследование финансировалось Национальным научным фондом (NSF) и Управлением научных исследований ВВС.

Вычислительные ресурсы были предложены Центром ресурсов суперкомпьютеров Министерства обороны США; Национальный научно-исследовательский вычислительный центр по энергетике при поддержке Министерства энергетики Управления науки; поддерживаемый NSF суперкомпьютер XSEDE; и поддерживаемый NSF кластер DAVinCI в Райсе, управляемый Центром вычислительных исследований и закупленный совместно с Институтом информационных технологий Кена Кеннеди при Университете Райса.

Источник: https://engineering.rice.edu/