理论家们从不寻常的催化剂中找到了近乎纯净的纳米管背后的机制

根据莱斯大学的科学家的说法，生长一批完全相同的碳纳米管可能并不像研究人员所希望的那么简单。

莱斯材料理论家鲍里斯·雅科布森和他的团队反驳了一种理论，即当在炉子中生长纳米管时，具有特定原子排列和对称性的催化剂可以可靠地制造具有类似手性的碳纳米管，即碳原子晶格的角度。

相反，他们发现所讨论的催化剂开始具有各种手性角度的纳米管，但几乎将它们全部重定向到称为快速生长的变体(12,6)。原因似乎是一个类似Janus的界面，由扶手椅和锯齿形段组成 - 最终改变了纳米管的生长方式。

因为手性决定了纳米管的电性能，所以生长手性特定批次的能力是纳米技术的圣杯。与铜或铝不同，它可能导致电线无损耗地传输能量。纳米管通常以随机手性生长。

Yakobson说，在美国化学学会期刊Nano Letters中详细介绍的Rice理论研究可能是向生产同质批次纳米管的催化剂迈出的一步。

Yakobson及其同事Evgeni Penev和Ksenia Bets以及研究生Nitant Gupta在2013年的研讨会上解决了其他实验主义者提出的难题，他们使用钴和钨合金来催化单壁纳米管。在该实验室的批次中，超过90%的纳米管具有(12,6)的手性。

数字(12,6)是指纳米管的手性矢量的坐标。碳纳米管是二维石墨烯的卷起的片材。石墨烯具有高导电性，但当它被卷成管时，其导电性取决于其六边形晶格的角度或手性。

扶手椅纳米管 - 由于其边缘的扶手椅状形状而得名 - 具有相同的手性指数，如(9,9)，并且非常需要它们的完美导电性。它们不像之字形纳米管，例如(16,0)，它可以是半导体。将石墨烯片转动仅仅30度将改变其从扶手椅到之字形的纳米管，反之亦然。

佩内夫说，实验主义者“以一种从一开始就令人费解的方式解释他们的工作。他们说这种催化剂具有与(12,6)边缘相匹配的特定对称性，因此这些纳米管优先成核并生长。这就是出现碳纳米管选择性生长的所谓对称匹配思想。

“我们阅读并消化了这一点，但我们仍然无法围绕它进行思考，”他说。

在2013年会议之后不久，雅各布森实验室发表了自己的纳米管生长理论，该理论表明两种相反的力之间的平衡 - 催化剂 - 纳米管接触的能量和原子将自身附着在生长管上的速度。界面 - 负责手性。

五年之后，事实证明在他们的新论文中也是如此，尽管有一个转折点。Rice计算表明，Co7W6合金促进了类Janus界面的形成，确保了边缘必要的扭结，并允许碳原子附着在纳米管的基础上。但催化剂也迫使纳米管结合缺陷，改变其中游的初始手性。

“我们发现了两件事，”雅各布森说。“一个是纳米管底部的碳原子类型分为扶手椅和锯齿形部分。第二个是形成导致手性或螺旋性变化的缺陷的趋势。这使得(12,6)成为一种类型瞬态吸引子，至少在短暂的实验中。如果它们能够永远生长，(12,6)纳米管最终会转换成扶手椅。“

如果不是一个需要一些顽固的侦探工作的古老错字，这种不同寻常的增长模式可能会被更早地诊断出来。

“问题出在一个标准的在线数据库中，该数据库给出了这种钴钨合金的晶体结构，”该论文与Penev的共同主要作者Bets说。“一个条目是错误的。这使得结构如此糟糕，以至于我们无法在密度泛函理论计算中使用它。”

一旦他们发现错误，Bets和共同作者Gupta回到了1938年德国论文，该论文首次正确地详述了Co7W6的结构。即使掌握了这一点，该团队的计算也使用了他们可以找到的每一点计算能力来模拟催化剂中每个原子与碳原料之间的能量连接。

“我们发现，如果我们按计算而不是并行运行计算，他们将花费相当于至少2000年的计算机时间，”Bets说。

“这篇论文在很多方面都非常出色：时间，细节和我们发现的惊喜，”佩内夫说。“我们从来没有这样的项目。我们还不知道这将如何适用于其他材料，但我们正在努力。”

“有四到五个实验论文，最近的一些，也显示了增长过程中手性的变化，”Bets说。“事实上，因为它是一个概率过程，所以它基本上是不可避免的。但直到现在，它还没有被考虑过增长的理论研究。”