莱斯大学发现：对手性研究或成为合成同质纳米管的重要一步

 
该图显示了一个不断生长的碳纳米管和钴-钨催化剂之间的界面。 催化剂原子的排列迫使纳米管从锯齿形（蓝色）快速转变为扶手椅形（红色），最终生长出既不属于左边也不属于右边而是几乎在中间共用的纳米管。 这种转变是碳纳米管生长的先前未被发现的特征。 （图片来源：Evgeni Penev）

      莱斯大学材料学家Boris Yakobson和他的同事们同时反对一种理论，这种理论是当纳米管在熔炉中生长时，具有特定原子排列和催化剂将可靠地制造出类似手性的碳纳米管，即碳原子晶格的角度具有对称性。

      更确切地说，他们发现所考虑的催化剂开始具有一系列手性角度的纳米管，但仅限于将它们全部重定向到（12,6）时会快速生长变体。原因似乎是由扶手椅形和锯齿形两部分形成的类似Janus界面 - 并最终改变纳米管的生长方式。

      由于纳米管的电学性质是由它的手性决定的，因此，培育出特定手性产品是在纳米生长技术中一个长期追求的目标。与铝或铜相比，它在电线传输能量时而不会损失。而这似乎是无法实现的，因为纳米管生长的手性时随机的。

      Yakobson表示，在美国化学学会出版的纳米快报期刊上报道莱斯大学的理论研究可能是合成催化剂生产批次同质纳米管的重要一步。

      Yakobson及其同事Evgeni Penev和Ksenia Bets以及研究生Nitant Gupta试图解决其他实验主义者在2013年的一个研讨会上提出的一个难题，他们使用钨和钴合金来催化单壁纳米管。在实验室的同批次中，超过90％的纳米管具有（12,6）手性。（12,6）是与纳米管的手性载体有关的矢量坐标。碳纳米管是一层卷起来的二维石墨烯。尽管石墨烯具有高导电性，但在被卷成管后，其导电性依赖于其六边形晶格的角度或手性。

      扶手椅形纳米管 - 由于其边缘的扶手椅状形状而被称为具有相同的手性指数，例如（9,9），并且因其完美的导电性而备受追捧。它们不同于锯齿形纳米管，例如（16,0），也可能是半导体。如果石墨烯片仅转动30°，则将由其形成的纳米管从扶手椅形改为锯齿形，反之亦然。

      根据Penev的说法，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研究。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。这就是所谓的“对称匹配”碳纳米管选择性生长的理念。”

      “我们阅读并消化了这种理念，但我们仍然无法理解，”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，证明了两种相反作用力之间的平衡 — 原子依附于界面上不断生长的纳米管的速度，以及催化纳米管接触的能量 — 是手性的原因。

      五年之后，在他们的新论文中，尽管有了新的维度，但事实证明这是非常正确的。莱斯计算表明，Co7W6合金可以促进类似janus界面的形成，这种界面保证了边缘的必要扭结，使碳原子能够附着在纳米管上。然而，这种催化剂还驱动纳米管修改其初始手性中的缺陷。

      这种奇怪的生长模式可能早就被发现，但由于没有确切的证据，因此这就需要一些坚定的研究工作了。

      “问题在于一个标准的在线数据库，该数据库提供了钴钨合金的晶体结构，”Bets及该论文的共同作者Penev表示，“其中一个条目的错误使得结构非常糟糕，以至于我们不能在密度函数理论计算中使用它。”

      在发现错误后，Bets和和共同作者Gupta再次回顾了1938年的德国论文，这是第一篇精确概述Co7W6结构的论文。尽管他们掌握了这一点，但研究人员所做的计算涉及到利用各种计算能力来模拟催化剂和碳原料之间每个原子之间的能量连接。

      Bets说，“我们发现，如果我们用级数来计算，而不是并行计算，那么它们的计算时间就相当于至少2000年的计算机时间。”

      “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，”Penev说。 “我们从来没有这样的项目。尽管还不知道这将如何适用于其他材料，但我们正在努力。”

 
      “最近有四到五篇实验论文，也显示了生长过程中手性的变化，”Bets表示， “事实上，因为它是一个概率过程，基本上是不可避免的。但到目前为止，在生长的理论研究中从未考虑过它。”

      Yakobson是Karl F. Hasselmann的材料科学和纳米工程教授，以及莱斯大学的化学系教授。 Penev是助理研究教授，Bets是材料科学和纳米工程系的研究管理员。

      该研究得到了国家科学基金会的支持。计算资源由国家能源研究科学计算中心提供，由美国能源部科学办公室支持;美国国防部超级计算机资源中心;NSF支持的XSEDE超级计算机;由研究计算中心管理，并与莱斯的肯肯尼迪信息技术研究所合作采购。