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Como uma girafa se espreguiçando em busca de folhas em uma árvore alta, fazer com que os nanotubos de carbono alcancem comida à medida que crescem pode levar a um avanço há muito procurado.
Os teóricos de materiais Boris Yakobson e Ksenia Bets da Escola de Engenharia George R. Brown da Rice University mostram como colocar restrições no crescimento de nanotubos pode facilitar um “santo graal” de lotes crescentes com uma única quiralidade desejada.
O papel deles em Avanços da ciência descreve uma estratégia pela qual restringir a matéria-prima de carbono em um forno ajudaria a controlar o crescimento de “pipa” de nanotubos. Neste método, o nanotubo começa a se formar no catalisador de metal em um substrato, mas levanta o catalisador à medida que cresce, assemelhando-se a uma pipa em uma corda.
As paredes dos nanotubos de carbono são basicamente grafeno, sua rede hexagonal de átomos enrolada em um tubo. Quiralidade refere-se a como os hexágonos são angulados dentro da rede, entre 0 e 30 graus. Isso determina se os nanotubos são metálicos ou semicondutores. A capacidade de crescer nanotubos longos em uma única quiralidade poderia, por exemplo, permitir a fabricação de fibras de nanotubos altamente condutivas ou canais semicondutores de transistores.
Normalmente, os nanotubos crescem de forma aleatória com paredes simples e múltiplas e várias quiralidades. Isso é bom para algumas aplicações, mas muitas precisam de lotes “purificados” que exigem centrifugação ou outras estratégias caras para separar os nanotubos.
Os pesquisadores sugeriram que o gás de matéria-prima de carbono quente alimentado através de bicos móveis poderia efetivamente levar os nanotubos a crescer enquanto o catalisador permanecer ativo. Como os tubos com diferentes quiralidades crescem em velocidades diferentes, eles podem ser separados por comprimento e os tipos de crescimento mais lento podem ser completamente eliminados.
Uma etapa adicional que envolve a remoção de alguns dos nanotubos poderia permitir que quiralidades específicas fossem colhidas, eles determinaram.
O trabalho do laboratório para definir os mecanismos de crescimento dos nanotubos os levou a pensar se a velocidade de crescimento em função da quiralidade dos tubos individuais poderia ser útil. O ângulo de “torções” nas bordas dos nanotubos em crescimento determina o quão energeticamente eles são para adicionar novos átomos de carbono.
“As partículas do catalisador estão se movendo à medida que os nanotubos crescem, e isso é principalmente importante”, disse o principal autor Bets, pesquisador do grupo de Yakobson. “Se a sua matéria-prima continuar se afastando, você obtém uma janela móvel onde está alimentando alguns tubos e não os outros”.
A referência do jornal às girafas Lamarck – uma 19ºteoria do século de como eles desenvolveram pescoços tão longos – não está totalmente fora do campo esquerdo, disse Bets.
“Funciona como uma metáfora porque você afasta suas ‘folhas’ e os tubos que podem alcançá-las continuam crescendo rapidamente, e aqueles que não podem simplesmente morrer”, disse ela. “Eventualmente, todos os nanotubos que são um pouquinho lentos vão ‘morrer’.”
A velocidade é apenas parte da estratégia. De fato, eles sugerem que nanotubos um pouco mais lentos devem ser o alvo para garantir uma colheita de quiralidades únicas.
Como os nanotubos de diferentes quiralidades crescem em suas próprias taxas, um lote provavelmente exibiria camadas. Gravar quimicamente os nanotubos mais longos os degradaria, preservando o próximo nível de tubos. A restauração da matéria-prima pode permitir que os nanotubos de segunda linha continuem crescendo até que estejam prontos para serem abatidos, disse Bets.
“Existem três ou quatro estudos de laboratório que mostram que o crescimento de nanotubos pode ser revertido, e também sabemos que pode ser reiniciado após a gravação”, disse ela. “Assim, todas as partes da nossa ideia já existem, mesmo que algumas sejam complicadas. Perto do equilíbrio, você terá a mesma proporcionalidade entre as velocidades de crescimento e de gravação para os mesmos tubos. Se estiver tudo bem e limpo, então você pode absolutamente , escolha com precisão os tubos que você segmenta.”
O laboratório Yakobson não os fará, pois se concentra na teoria, não na experimentação. Mas outros laboratórios transformaram as teorias de Rice em produtos como boro buckyballs.
“Tenho certeza de que cada um de nossos revisores eram experimentalistas e não viram nenhuma contradição no trabalho”, disse Bets. “A única reclamação deles, é claro, era que eles gostariam de resultados experimentais agora, mas não é isso que fazemos.”
Ela espera que mais do que alguns laboratórios aceitem o desafio. “Em termos de ciência, geralmente é mais benéfico dar ideias à multidão”, disse Bets. “Dessa forma, quem tiver interesse pode fazer em 100 variações diferentes e ver qual funciona. Um cara tentando pode levar 100 anos.”
Yakobson acrescentou: “Nós não queremos ser esse ‘cara’. Não temos tanto tempo.”
Yakobson é o Professor Karl F. Hasselmann de Engenharia e professor de ciência de materiais e nanoengenharia e de química.
A National Science Foundation (1605848) e a Robert Welch Foundation (C-1490) apoiaram a pesquisa.
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