Idealna nanorurka może mieć długość nawet metra

Z symulacji przeprowadzonych przez Rice University, Politechnikę w Hongkongu oraz Uniwersytet Tsinghua dowiadujemy się, że dzięki odpowiedniemu doborowi temperatury i katalizatora można wyhodować idealną węglową nanorurkę o długości 1 metra. Nanorurka taka może być 50 000 razy cieńsza od ludzkiego włosa.

Naukowcy stwierdzili, że najlepszym z prostych katalizatorów jest żelazo. W jego obecności dochodzi do naprawienia wszystkich defektów topologicznych, które pojawiają się podczas wzrostu nanorurki. W odpowiedniej temperaturze w obecności żelaza atomy węgla bardzo szybko formują preferowaną pod względem energetycznym heksagonalną strukturę.

To zadziwiające, że naprawa wszelkich możliwych defektów podczas wzrostu węglowych nanorurek jest tak łatwa - mówi Feng Ding, pracujący pod kierunkiem profesora Borisa Yakobsona. Uczony dodał, że odsetek błędów wynosi zaledwie jeden do 10 miliardów.

Profesor Yakobson mówi, że dotychczas istniały dwie hipotezy dotyczące tworzenia się idealnych nanorurek. Jedna stwierdzała, że błędy w ogóle się nie pojawiają. Druga, że dochodzi do szybkiej ich naprawy. Symulacje przeprowadzone przez zespół Yakobsona wykazały, że właściwa jest druga hipoteza. Co więcej okazało się, że tworzenie długich nanorurek powinno być łatwiejsze niż sądzono. Dotychczas uważano, że gdy wystąpi błąd w strukturze nanorurki i zamiast 6 atomów dojdzie do połączenia 5 lub 7, może to zmienić kształt nanorurki. Obliczenia wykazały jednak, że izolowane błędy nie występują. Zawsze pojawia się para 5-7, która jest znacznie łatwiejsza do naprawy. Dochodzi bowiem do przesunięcia atomu ze struktury heptagonalnej do pengatonalnej i pojawiają się dwie prawidłowe heksagonalne.

Uczeni odkryli, że nanorurki najlepiej wzrastają w temperaturze 656,6 stopnia Celsjusza. To optymalna temperatura likwidacji defektów w obecności katalizatora z żelaza. Do „uzdrowienia“ musi dojść niezwykle szybko. Gdy powstanie struktura 5/7, może ona zostać błyskawicznie włączona w ściankę nanorurki i wada pozostanie na stałe. Dzięki precyzyjnej kontroli warunków, w jakich tworzy się nanorurka możliwe jest naprawianie błędów na bieżąco. Błędy w ułożeniu atomów są wychwytywane i naprawiane w ciągu milisekund, zanim jeszcze atomy te wejdą w skład nanorurki.

Naukowcy odkryli też, że im wolniejszy wzrost, tym dłuższa może być doskonała nanorurka. Struktura rosnąca z prędkością 1 milimetra na sekundę może osiągnąć długość nawet metra.