Китайские исследователи выяснили, как образуется новый материал, содержащий углеродный "штопоры". Такие структуры получают на железных иглах методом MPCVD (осаждение из паровой фазы при помощи микроволновой плазмы) из метана. Авторы работы считают, что решающую роль в образовании таких структур играет твердофазное состояние катализатора – частиц карбида железа Fe
3C.
Очень часто вытянутые структуры (нанотрубки, волокна и т.д.) формируются по механизму ПЖК, который предполагает образование капли, катализирующей рост. Однако если катализатор является кристаллом и имеет грани, может возникнуть определенная анизотропия роста вследствие различий физико-химических свойств граней.
Наноштопор состоит из трех частей. В нижней части у него имеется стержневидный участок, далее идет спираль, а на конце располагается частица катализатора. По данным электронной дифракции и локального анализа состава частица является карбидом железа – цементитом Fe
3C. Были определены кристаллографические индексы граней, образующих кристалл, и его форма. Кроме того, на верхних гранях частиц был обнаружен поликристаллический слой, имеющий иной состав (что может говорить о наличии жидкости в процессе роста).
Частицы катализатора имеют 6 граней. Рост происходит на двух из них. Предполагаемый механизм роста определяется как пар-жидкость-кристалл-кристалл. Сначала образуется капля катализатора и происходит рост стержневидной части. В какой-то момент в нижней части капли кристаллизуется частица Fe
3C. Капля продолжает поглощать углерод из газовой фазы (CH
4), который потом диффундирует по граням кристалла карбида железа. Рост на различных гранях кристалла катализатора протекает с различными скоростями (и это, видимо, зависит от того, какие из нижних граней получились больше), что приводит к закручиванию стержня в спираль.
Работа
«Hexahedral nanocementites catalyzing the growth of carbon nanohelices» опубликована в журнале
Applied Physics Letters.
О методе синтеза можно почитать в работе
«Self-assembly of carbon nanohelices: Characteristics and field electron emission properties» в том же журнале.
