Специалисты по материаловедению Борис Якобсон и Ксения Бетс из Инженерной школы Джорджа Р. Брауна Университета Райса показывают, как наложение ограничений на выращивание нанотрубок может способствовать созданию "святого грааля" для выращивания партий с единственной желаемой хиральностью.

Их статья в Научные достижения описывает стратегию, с помощью которой ограничение углеродного сырья в печи помогло бы контролировать "воздушный змей" роста нанотрубок. В этом методе нанотрубка начинает формироваться на металлическом катализаторе на подложке, но поднимает катализатор по мере его роста, напоминая воздушного змея на веревочке.

Стенки углеродных нанотрубок в основном представляют собой графен, его гексагональную решетку из атомов, свернутых в трубочку. Хиральность относится к тому, как шестиугольники расположены под углом внутри решетки, от 0 до 30 градусов. Это определяет, являются ли нанотрубки металлическими или полупроводниковыми. Способность выращивать длинные нанотрубки в одной хиральности могла бы, например, позволить производить высокопроводящие волокна из нанотрубок или полупроводниковые каналы транзисторов.

Обычно нанотрубки растут случайным образом с одиночными и множественными стенками и различными хиральностями. Это хорошо для некоторых применений, но многим нужны "очищенные" партии, которые требуют центрифугирования или других дорогостоящих стратегий для отделения нанотрубок.

Исследователи предположили, что горячий газ из углеродного сырья, подаваемый через движущиеся сопла, может эффективно стимулировать рост нанотрубок до тех пор, пока катализатор остается активным. Поскольку трубки с разной хиральностью растут с разной скоростью, их можно было бы затем разделить по длине, а медленно растущие типы можно было бы полностью исключить.

Они определили, что один дополнительный шаг, который включает в себя вытравливание части нанотрубок, может затем позволить получить определенные хиральности.

Работа лаборатории по определению механизмов роста нанотрубок заставила их задуматься о том, может ли быть полезной скорость роста в зависимости от хиральности отдельных трубок. Угол "перегибов" на краях растущих нанотрубок определяет, насколько энергетически они поддаются добавлению новых атомов углерода.

"Частицы катализатора движутся по мере роста нанотрубок, и это принципиально важно", - сказал ведущий автор Бетс, исследователь из группы Якобсона. "Если ваше сырье продолжает удаляться, вы получаете движущееся окно, в котором вы подаете одни трубки, а не другие".

Ссылка в статье на жирафов Ламарка - 19^th- теория века о том, как у них развились такие длинные шеи, не совсем исключена из поля зрения, - сказала Бетси.

"Это работает как метафора, потому что вы убираете свои "листья", и трубки, которые могут дотянуться до них, продолжают быстро расти, а те, которые не могут просто отмирать", - сказала она. "В конце концов, все нанотрубки, которые хоть немного замедляются, "умрут"".

Скорость - это только часть стратегии. Фактически, они предполагают, что нанотрубки, которые немного медленнее, должны быть целью для обеспечения урожая одиночных хиральностей.

Поскольку нанотрубки разной хиральности растут со своей собственной скоростью, партия, скорее всего, будет иметь ярусы. Химическое травление самых длинных нанотрубок привело бы к их деградации, сохранив трубки следующего уровня. По словам Бетс, восстановление исходного сырья может затем позволить нанотрубкам второго уровня продолжать расти до тех пор, пока они не будут готовы к отбраковке.

"Есть три или четыре лабораторных исследования, которые показывают, что рост нанотрубок можно обратить вспять, и мы также знаем, что его можно возобновить после травления", - сказала она. "Итак, все части нашей идеи уже существуют, даже если некоторые из них сложны. Близкий к равновесию, вы будете иметь одинаковую пропорциональность между скоростями роста и травления для одних и тех же трубок. Если все это красиво и чисто, то вы можете абсолютно точно выбрать трубки, на которые нацелены ".

Лаборатория Якобсона не будет их производить, поскольку она сосредоточена на теории, а не на экспериментах. Но другие лаборатории превратили прошлые теории риса в такие продукты, как бакиболы с бором.

"Я почти уверена, что каждый из наших рецензентов был экспериментатором, и они не видели никаких противоречий в том, что это работает", - сказала Бетси. "Их единственная жалоба, конечно, заключалась в том, что они хотели бы получить экспериментальные результаты прямо сейчас, но это не то, чем мы занимаемся".

Она надеется, что более чем несколько лабораторий примут этот вызов. "С точки зрения науки, обычно более выгодно давать идеи толпе", - сказала Бетси. "Таким образом, те, у кого есть интерес, могут сделать это в 100 различных вариациях и посмотреть, какая из них работает. Одному парню, пытающемуся это сделать, может потребоваться 100 лет".

Якобсон добавил: "Мы не хотим быть такими "парнями". У нас не так много времени".

Якобсон - профессор инженерного дела имени Карла Ф. Хассельмана, профессор материаловедения, наноинженерии и химии.

Национальный научный фонд (1605848) и Фонд Роберта Уэлча (C-1490) поддержали исследование.