Углеродные нанотрубки способны «запоминать» исходную структуру, изотопное мечение раскрывает динамический процесс роста

Опубликованное 1 сентября исследование показывает, что углеродные нанотрубки способны сохранять свою исходную атомную структуру в динамически изменяющейся среде роста. Научная группа использовала технологию цифрового изотопного мечения, кодируя процесс удлинения отдельной углеродной нанотрубки в виде последовательности с различным изотопным составом углерода, и считывала историю её роста с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, что позволило отслеживать структурную стабильность нанотрубок в условиях изменения температуры и эволюции катализатора.

Свойства углеродных нанотрубок в высокой степени зависят от расположения их атомов. Один и тот же материал может проявлять металлические или полупроводниковые свойства в зависимости от структурных различий, поэтому структурная однородность всегда была ключевой проблемой на пути к масштабному применению углеродных нанотрубок. В таких промышленных маршрутах производства, как метод химического осаждения из газовой фазы с плавающим катализатором, частицы катализатора в реакторе подвергаются постоянно изменяющимся температуре и газовому составу и могут необратимо укрупняться. Ранее отсутствовали прямые доказательства того, способна ли отдельная углеродная нанотрубка сохранять исходную структуру в таких сложных условиях.

В данном исследовании группа использовала импульсы этанола с различным соотношением изотопов углерода для «цифрового мечения» растущих углеродных нанотрубок, реконструируя процесс удлинения отдельной нанотрубки с временным разрешением 30 секунд. Результаты показали, что при повышении температуры печи с 800 °C до 873 °C с последующим снижением скорость роста нанотрубок при той же температуре достигала примерно двукратной величины по сравнению с периодом до нагрева. Это запаздывание указывает на то, что в процессе высокотемпературного воздействия произошло необратимое укрупнение катализатора.

Однако изменение скорости роста не привело к изменению структуры большинства нанотрубок. Исследование показало, что даже когда длина углеродной нанотрубки превышает её диаметр в 100 000 раз, она сохраняет атомарно согласованную кристаллическую решётку. Из 158 проанализированных углеродных нанотрубок 139 сохранили неизменную хиральность в пределах измеренной длины, что составляет около 88%. Исследование также сочеталось с кинетическим моделированием Монте-Карло и моделированием молекулярной динамики, что дополнительно подтвердило: укрупнение катализатора изменяет скорость роста, но не обязательно изменяет уже сформировавшиеся диаметр и хиральность нанотрубок.

Исследователи полагают, что это указывает на то, что структура углеродных нанотрубок в основном определяется на стадии зарождения и проявляет сильную «структурную память» на последующей стадии удлинения; напротив, скорость роста остаётся чувствительной к таким факторам окружающей среды, как температура и состояние катализатора. Такое разделение между определением структуры и кинетикой роста открывает новые подходы к синтезу углеродных нанотрубок: на стадии зарождения можно сосредоточиться на оптимизации контроля структуры, а на стадии удлинения — на повышении выхода, что позволяет смягчить давнюю проблему компромисса между качеством и количеством.