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.