УНТ — это молекулы с цилиндрической наноструктурой (нано = 10-9 мкм или 1/1000000000 мкм). Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, УНТ нашли технологическое применение в области электроники, оптики и материаловедения. УНТ могут быть синтезированы методом, называемым химическим осаждением из паровой фазы, когда молекулы паров углеводородов осаждаются на катализаторах из переходных металлов в потоке инертного газа при высоких температурах. Текущие проблемы с этим методом заключаются в том, что УНТ обычно производятся в виде смесей нанотрубок различного диаметра и различной структуры боковых стенок.
Теоретическое моделирование, координированное профессором Ирле, изучило молекулярные механизмы роста УНТ с использованием молекул ацетилена в качестве сырья. Результат их исследования дает представление об определении новых параметров, которые можно изменять, чтобы улучшить контроль над распределением продуктов при синтезе УНТ.Теоретические расчеты высокого уровня с использованием квантово-химической молекулярной динамики были выполнены для изучения ранних стадий роста УНТ из молекул ацетилена на небольших кластерах железа (Fe38). Предыдущие механистические исследования постулировали полное разложение углеводородных исходных газов до атомарного углерода до роста УНТ. «Наше моделирование показало, что реакции олигомеризации ацетилена и сшивания между углеводородными цепями являются основными реакционными путями при росте УНТ, наряду с разложением до атомарного углерода», — говорит профессор Стефан Ирле, руководивший исследованием, «это следует за добавлением ацетилена с отщеплением водорода. (HACA) -подобные механизмы, которые обычно наблюдаются в процессах горения », — продолжает он.
Известно, что процессы горения протекают по механизму присоединения ацетилена с отрывом водорода (HACA). Инициирование механизма начинается с отрыва атома водорода от молекулы-предшественника с последующим добавлением ацетилена, а повторяющийся цикл приводит к образованию полицилических ароматических углеродов с кольцевой структурой (ПАУ). В этом процессе этинильный радикал с высокой реакционной способностью (C2H) постоянно регенерируется, расширяя кольца ПАУ и, в конечном итоге, образуя сажу.
Тот же ключевой реактивный промежуточный продукт наблюдается при росте УНТ и действует как органокатализатор (катализатор на основе органической молекулы), облегчая реакции переноса водорода через растущие углеводородные кластеры. Моделирование идентифицирует интригующий процесс бифуркации, с помощью которого углеводородные частицы, богатые водородом, обогащают содержание водорода, создавая побочные продукты, не связанные с УНТ, а углеводороды с дефицитом водорода обогащают содержание углерода, что приводит к росту УНТ.«Мы начали этот тип исследований с 2000 года, и долгое время моделирования было большой проблемой, чтобы провести полное моделирование для всех участвующих молекул из-за относительно высокой прочности связи углерод-водород. За счет создания и использования быстрого метода расчета , нам впервые удалось успешно включить водород в наши расчеты, что привело к новому пониманию, показывающему сходство между ростом УНТ и процессами горения углеводородов.
Это открытие очень интригует в том смысле, что эти процессы долгое время считались продолжающимися совершенно другие механизмы », — уточняет профессор Ирле.Результаты этого моделирования демонстрируют важность роли углеродных химических связей и молекулярных превращений в росте УНТ.
Профессор Ирле объясняет: «Наше моделирование предлагает новые параметры, такие как настройка содержания водорода для улучшения контроля роста УНТ и образования сажи. Мы хотим разработать новые методы ускорения методов, которые убедят экспериментаторов и создать дополнительные инструменты для изучения новых возможностей, которые будет способствовать пониманию этих важных процессов ".