Õige temperatuuri ning katalüsaatori korral ei leidu ühtegi põhjust, miks täiuslik üheseinaline süsiniknanotoru ei võiks kasvada kuni ühe meetri pikkuseks ning olla inimese juuksekarvast 50 000 korda õhem.
Nanotoru defektid paranevad väga kiiresti raua katalüsaatori ümbruses asuval väikesel alal - seda isegi enne, kui nad nanotoru seinani jõuavad. Pilt: Feng Ding/Rice/Hong Kong Polytechnic
Sellise tulemuse said Rice’i Ülikooli, Kongi Polütehnikumi ja Tsinghua Ülikooli teadlased oma arvutustes, uurides iseparanemise mehhanismi, mis võiks sellise hämmastava kasvu tegelikkuseks muuta. Antud tulemus on oluline teadlastele, kes peavad kõrgkvaliteedilisi süsiniknanotorusid uute materjalide valmistamise aluseks. Kui selliseid nanotorusid saaks pikkadeks kaabliteks kerida, saaks neid ka tuleviku energiavõrgustikes kasutada, kirjutab Sciencedaily.com.
Uurimusest selgus, et tavalistest katalüsaatoritest on topoloogiliste defektide parimaks ja kiireimaks parandajaks on raud. Sellised defektid – liiga paljude või väheste aatomitega rõngad – tekivad nanotorude valmistamisel paratamatult ning mõjutavad nende väärtuslikke elektroonilisi ja füüsilisi omadusi. Erinevate tegurite (eelkõige temperatuuri) õige kombinatsiooni korral võib esineda kineetiline iseparanemine, milles valesti asetsevad süsiniku aatomid suunatakse moodustama energeetiliselt eelistatud kuusnurki, mis on nanotorude ja grafeeni põhiliseks struktuuriühikuks. Selle muutuse tekkeks vajalike energiate saamiseks kasutasid teadlased tiheduse funktsionaalteooriat.
,,On üllatav, et kõikide potentsiaalsete defektide parandamine süsiniknanotorude kasvu ajal on üpriski lihtne,” lausus üks uurimust juhtinud teadlasi, Feng Ding. ,,Vaid vähem kui üks kümnest miljondikust defektist peab sellistele optimaalsetele kasvutingimustele vastu. Defektide paranemise kiirus on hämmastav.”
Kerge parandamise muudab lihtsaks tõsiasi, et nanotorude seintes ei eksisteeri mitte isoleeritud defektid, vaid et need esinevad alati 5/7 paaridena. Kui üks aatom lükatakse seitsmenurgalisest ringist viisnurka, saavad mõlemast ringist kuusnurgad.
Teadlased leidsid, et see muutus toimub kõige paremini siis, kui nanotorude kasvutemperatuuriks on umbes 930 Kelvinit. See on raudkatalüsaatori korral parandusteks optimaalne. Raual on kolmest tavalisest uuritud katalüsaatorist (raud, nikkel ja koobalt) madalaim energiabarjäär ning madalaim reaktsioonienergia.
Kui katalüsaatori ja kasvava nanotoru piirjoonel tekib 5/7 ring, peab paranemine toimuma väga kiiresti. Mida rohkem uued aatomid defekti nanotoru seinas edasi lükkavad, seda väiksema tõenäosusega see paraneb. Kui defekt asub katalüsaatorist rohkem kui nelja aatomi kaugusel, see ei parane.
Läbi simulatsioonide määrasid teadlased lisaks tõsiasja, et aeglasema kasvu korral võib saadav täiuslik nanotoru olla pikem. 700 Kelvini juures ühe sekundi jooksul umbes 1 mikromeetri võrra kasvav nanotoru võiks potentsiaalselt kasvada isegi kuni ühe meetri pikkuseks.
Teadusartikkel: “Efficient Defect Healing in Catalytic Carbon Nanotube Growth“