Разработана метровая нанотрубка, которая сама устраняет свои дефекты

При правильной температуре, с правильным катализатором, можно вырастить идеальную одностенную углеродную нанотрубку длиной в один метр, которая в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Такой вывод получился в результате исследования ученых университета Райса, Политехнического университета Гонконга и университета Цинхуа, которые исследовали механизм самовосстановления, делающий возможным столь колоссальный рост. Это важно для ученых, которые рассматривают высококачественные углеродные нанотрубки как принципиальную основу для современных материалов и, если их можно будет скрутить в длинные нити, они смогут служить распределителями энергии по сетям.

Отчет, опубликованный онлайн Physical Review Letters, написан физиком-теоретиком из Райса, Борисом Якобсоном; Фэн Дином, который является профессором также в Райсе и доцентом в Гонконгском политехническом университете; ведущим автором исследования Цинхун Юанем – старшим научным сотрудником в Гонконгском политехническом университете; и Чжипин Сюем – преподавателем технической механики в Цинхуа и бывшим старшим научным сотрудником в Райсе. Они выяснили, что железо является лучшим и самым быстрым среди обыкновенных катализаторов для восстановления топологических дефектов – они представляют собой ядра со слишком большим или слишком маленьким числом атомов, – которые неизбежно появляются во время формирования нанотрубок и меняют их ценные электронные и физические свойства. Правильная комбинация факторов, прежде всего температуры, приводит к кинетическому «самовосстановлению», в котором потерянные углеродные атомы организуются в энергетически правильные шестиугольники, которые формируют нанотрубки и их плоских родственников - графены. Команда исследователей использовала теорию функции плотности, чтобы проанализировать, какая энергия необходима для трансформации.

«Удивительно, что устранение всех потенциальных дефектов - пятиугольников, семиугольников и их пар - во время роста углеродной трубки происходит достаточно легко, - сказал Динг, который был исследователем в лаборатории Якобсона в Райсе с 2005 по 2009 год. - Только менее чем одно из 10 миллиардов «плохих» ядер могут выжить при оптимальных условиях роста. Темп устранения дефектов удивителен. Если мы примем шестиугольники за хороших парней, а другие образования - за плохих парней, на Земле остался бы только один плохой парень».

Энергия, связанная с каждым атомом углерода, определяет, как он находит свое место в похожей по форме на проволочную сетку нанотрубке. Но среди ученых велись долгие дебаты по поводу того, что фактически происходит на поверхности контакта катализатора с растущей трубкой. «Было две гипотезы, - сказал Якобсон. - Популярная состояла в том, что дефекты возникают достаточно часто и внедряются в стенку трубки, и там они восстанавливаются. Это что-то вроде процесса закрепления. Другая гипотеза: дефекты, в основном, вообще не формируются, что кажется маловероятным. Это был просто разговор; анализов не проводилось. И именно здесь наша работа делает существенный вклад. Она оценивает количественно, на основании современных вычислений, как быстро происходит эта нормализация в зависимости от расположения атомов».

Нанотрубка растет в печи, по мере добавления атомов углерода, одного за другим, при участии катализатора. Это похоже на строительство сначала вершины небоскреба, а затем достраивания кирпичей к основанию. Но так как эти кирпичи добавляются в огромных количествах – миллионы за одну минуту, - могут произойти ошибки, изменяющие структуру. В теории, если бы у одного кольца было пять или семь атомов вместо шести, оно исказило бы ориентацию всех последующих атомов в цепи; изолированный пятиугольник превратил бы нанотрубку в конус, а семиугольник – в обратный конус, сказал Якобсон. Но вычисления также показали, что такие изолированные дефекты не могут существовать в стенке нанотрубки; они всегда появлялись бы в парах 5/7. Это облегчает быстрое исправление дефектов: если один атом перемещается от семиугольника к пятиугольнику, оба кольца превращаются в шестиугольники.

Исследователи выяснили, что это самое превращение происходит лучше всего тогда, когда углеродная нанотрубка выращивается при температуре приблизительно 930 по Кельвину (657 градусов по Цельсию). Это - оптимум для восстановления, если присутствует железный катализатор, который обладает самым низким энергетическим барьером и энергией реакции среди трех обычных катализаторов, включая никель и кобальт. Как только пара 5/7 формируется в месте соприкосновения между катализатором и растущей нанотрубкой, восстановление происходит очень быстро. Чем дальше новые атомы вдавливают дефект в стенку нанотрубки, тем меньшей становится вероятность его исправления, выяснили ученые; на расстоянии более четырех атомов от катализатора дефект оказывается запертым.

Жесткий контроль условий, при которых растут нанотрубки, может помочь им самовосстанавливаться в процессе роста. Ошибки в расположении атома фиксируются и исправляются за доли миллисекунды, прежде чем они станут частью стенки нанотрубки. Исследователи также определили посредством моделирования, что чем медленнее происходит рост, тем длиннее может вырасти идеальная нанотрубка. Нанотрубка, растущая со скоростью приблизительно 1 микрометр в секунду при температуре 427 по Цельсию, может потенциально достигнуть длины в один метр, выяснили ученые.

Работа Университета Райс финансировалась Национальным научным фондом и грантом Управления военно-морских исследований.