Wie eine Giraffe, die an einem hohen Baum nach Blättern greift, könnte es zu einem lang ersehnten Durchbruch führen, wenn Kohlenstoffnanoröhren beim Wachsen nach Nahrung greifen.
Die Materialtheoretiker Boris Yakobson und Ksenia Bets von der George R. Brown School of Engineering der Rice University zeigen, wie das Auferlegen von Beschränkungen für das Züchten von Nanoröhren einen „heiligen Gral“ zum Züchten von Chargen mit einer einzigen gewünschten Chiralität ermöglichen könnte.
Ihr Papier rein Wissenschaftliche Fortschritte beschreibt eine Strategie, durch die das Einschränken des Kohlenstoffausgangsmaterials in einem Ofen helfen würde, das „Drachen“-Wachstum von Nanoröhren zu kontrollieren. Bei diesem Verfahren beginnt sich die Nanoröhre am Metallkatalysator auf einem Substrat zu bilden, hebt den Katalysator jedoch beim Wachsen an und ähnelt einem Drachen an einer Schnur.
Die Wände von Kohlenstoffnanoröhren bestehen im Wesentlichen aus Graphen, dessen hexagonales Gitter aus Atomen zu einer Röhre gerollt ist. Chiralität bezieht sich darauf, wie die Sechsecke innerhalb des Gitters abgewinkelt sind, zwischen 0 und 30 Grad. Das bestimmt, ob die Nanoröhren metallisch oder halbleitend sind. Die Fähigkeit, lange Nanoröhren in einer einzigen Chiralität wachsen zu lassen, könnte beispielsweise die Herstellung von hochleitfähigen Nanoröhrenfasern oder Halbleiterkanälen von Transistoren ermöglichen.
Normalerweise wachsen Nanoröhren zufällig mit einzelnen und mehreren Wänden und verschiedenen Chiralitäten. Das ist für einige Anwendungen in Ordnung, aber viele benötigen „gereinigte“ Chargen, die eine Zentrifugation oder andere kostspielige Strategien erfordern, um die Nanoröhren zu trennen.
Die Forscher schlugen vor, dass heißes Kohlenstoff-Ausgangsmaterialgas, das durch bewegliche Düsen zugeführt wird, Nanoröhren effektiv dazu bringen könnte, zu wachsen, solange der Katalysator aktiv bleibt. Da Röhren mit unterschiedlichen Chiralitäten unterschiedlich schnell wachsen, könnten sie dann der Länge nach getrennt und langsamer wachsende Typen vollständig eliminiert werden.
Ein zusätzlicher Schritt, bei dem einige der Nanoröhren weggeätzt werden, könnte dann die Gewinnung spezifischer Chiralitäten ermöglichen, stellten sie fest.
Die des Labors arbeiten, um die Mechanismen zu definieren des Nanoröhrchen-Wachstums brachten sie dazu, darüber nachzudenken, ob die Wachstumsgeschwindigkeit als Funktion der Chiralität der einzelnen Röhrchen nützlich sein könnte. Der Winkel der „Knicke“ in den Rändern der wachsenden Nanoröhren bestimmt, wie energetisch zugänglich sie für das Hinzufügen neuer Kohlenstoffatome sind.
„Die Katalysatorpartikel bewegen sich, wenn die Nanoröhren wachsen, und das ist grundsätzlich wichtig“, sagte der Hauptautor Bets, ein Forscher in Yakobsons Gruppe. „Wenn sich Ihr Ausgangsmaterial immer weiter entfernt, erhalten Sie ein sich bewegendes Fenster, in dem Sie einige Rohre füttern und die anderen nicht.“
Der Verweis auf das Papier Lamarck-Giraffen– eine Theorie aus dem 19. Jahrhundert darüber, wie sie solch lange Hälse entwickelt haben – ist nicht völlig aus dem linken Feld, sagte Bets.
„Es funktioniert als Metapher, weil Sie Ihre ‚Blätter‘ wegbewegen und die Röhren, die es erreichen können, weiter schnell wachsen, und diejenigen, die nicht einfach aussterben können“, sagte sie. „Irgendwann werden alle Nanoröhren, die nur ein bisschen langsam sind, ‚sterben‘.“
Geschwindigkeit ist nur ein Teil der Strategie. Tatsächlich schlagen sie vor, dass Nanoröhren, die etwas langsamer sind, das Ziel sein sollten, um eine Ernte einzelner Chiralitäten sicherzustellen.
Da Nanoröhren mit unterschiedlichen Chiralitäten mit ihrer eigenen Geschwindigkeit wachsen, würde eine Charge wahrscheinlich Stufen aufweisen. Das chemische Ätzen der längsten Nanoröhren würde sie abbauen und die nächste Ebene von Röhren erhalten. Die Wiederherstellung des Ausgangsmaterials könnte es dann ermöglichen, dass die Nanoröhren der zweiten Stufe weiter wachsen, bis sie bereit sind, ausgesondert zu werden, sagte Bets.
„Es gibt drei oder vier Laborstudien, die zeigen, dass das Wachstum von Nanoröhren rückgängig gemacht werden kann, und wir wissen auch, dass es nach dem Ätzen neu gestartet werden kann“, sagte sie. „Alle Teile unserer Idee sind also bereits vorhanden, auch wenn einige davon knifflig sind. Nahe am Gleichgewicht haben Sie die gleiche Proportionalität zwischen Wachstums- und Ätzgeschwindigkeiten für dieselben Röhren. Wenn alles schön und sauber ist, können Sie es absolut , wählen Sie genau die Röhren aus, auf die Sie abzielen.“
Das Yakobson-Labor wird sie nicht herstellen, da es sich auf Theorie konzentriert, nicht auf Experimente. Aber andere Labors haben frühere Rice-Theorien in Produkte wie verwandelt Bor Buckyballs.
„Ich bin mir ziemlich sicher, dass jeder einzelne unserer Rezensenten Experimentatoren waren, und sie sahen keine Widersprüche dazu, dass es funktioniert“, sagte Bets. „Ihre einzige Beschwerde war natürlich, dass sie jetzt gerne experimentelle Ergebnisse hätten, aber das ist nicht das, was wir tun.“
Sie hofft, dass mehr als ein paar Labore die Herausforderung annehmen werden. „In Bezug auf die Wissenschaft ist es normalerweise vorteilhafter, der Menge Ideen zu geben“, sagte Bets. „Auf diese Weise können diejenigen, die Interesse haben, es in 100 verschiedenen Variationen machen und sehen, welche funktioniert. Ein Typ, der es versucht, könnte 100 Jahre dauern.“
Yakobson fügte hinzu: „Wir wollen nicht dieser ‚Typ‘ sein. Wir haben nicht so viel Zeit.“
Mehr Informationen:
Boris Yakobson, Nanoröhrensynthese mit einfacher Chiralität durch gesteuerte evolutionäre Selektion, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add4627. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add4627