Одностенные углеродные нанотрубки в новых волокнах, созданных в Rice, выстраиваются в линию, как пригоршня сырых спагетти, благодаря процессу, разработанному химиком Анхелем Марти и его коллегами.По словам Марти, чья лаборатория сообщила о своих результатах в этом месяце в журнале ACS Nano, сложная задача состоит в том, чтобы разделить плотно упакованные нанотрубки до того, как они будут объединены в волокно.Предоставленные самим устройствам, углеродные нанотрубки образуют сгустки, которые совершенно не подходят для превращения в вид прочных проводящих волокон, необходимых для различных проектов, от электроники нанометрового уровня до электрических сетей макромасштабного уровня.В более раннем исследовании Райса, проведенном химиком и инженером-химиком Маттео Паскуали, соавтором новой статьи, использовался процесс кислотного растворения, чтобы нанотрубки разделялись до тех пор, пока они не могли быть спрядены в волокна.
Теперь Марти, Паскуали и их коллеги производят «чистые» волокна с помощью того же механического процесса, но они начинают с другого вида сырья.«Группа Маттео использовала хлорсульфоновую кислоту для протонирования поверхности нанотрубок», — сказал Марти. «Это дало бы им положительно заряженную поверхность, чтобы они отталкивали друг друга в растворе. Мы используем прямо противоположную технику».
Процесс, раскрытый в прошлом году Марти и ведущими авторами Чэнминь Цзян, аспирантом, и Авишеком Саха, выпускником Райса, начинается с отрицательного заряда углеродных нанотрубок, наполняя их калием, металлом, и превращая их в своего рода соль, известную как полиэлектролит. Затем они используют краун-эфиры, похожие на клетки, для захвата ионов калия, которые в противном случае ослабили бы способность нанотрубок отталкивать друг друга.По словам Марти, поместите достаточно нанотрубок в такой раствор, и они окажутся зажатыми между силами отталкивания и неспособностью двигаться в тесноте.
Их заставляют выравниваться — определяющее свойство жидких кристаллов — и это делает их более управляемыми.Трубки в конечном итоге спрессовываются в волокна, когда их выдавливают через кончик иглы.
В этот момент сильная сила Ван-дер-Ваальса берет верх и прочно связывает нанотрубки вместе, сказал Марти.Но для создания макроскопических материалов команде Марти нужно было упаковать в раствор гораздо больше нанотрубок, чем в предыдущих экспериментах. «Когда вы начинаете увеличивать концентрацию, количество нанотрубок в жидкокристаллической фазе становится больше, чем в изотропной (неупорядоченной) фазе, и это именно то, что нам нужно», — сказал Марти.Исследователи обнаружили, что 40 миллиграммов нанотрубок на миллилитр дают им густой гель после перемешивания на высокой скорости и фильтрации оставшихся больших комков. «Это как центрифуга вместе с вращающимся барабаном», — сказал Марти о смесительном механизме. «Это создает нестандартные силы в растворе».
Подача этого плотного геля из нанотрубок через узкое игольчатое отверстие производила непрерывное волокно на оборудовании лаборатории Паскуали. Прочность и жесткость чистых волокон также приближались к волокнам, ранее произведенным с помощью кислотного процесса Паскуали. «Мы не вносили никаких изменений в его систему, и она работала отлично», — сказал Марти.
Волокна толщиной с волос могут быть сплетены в более толстые кабели, и команда исследует способы улучшить их электрические свойства путем легирования нанотрубок йодидом. «Исследование в основном аналогично тому, что делает Маттео», — сказал Марти. «Мы использовали его инструменты, но начали процесс с другой подготовкой, поэтому теперь мы первые, кто сделал аккуратные волокна из чистых электролитов углеродных нанотрубок.
Это очень круто».Паскуали сказал, что прядильная система работала без особой необходимости в адаптации, поскольку установка герметична. «Раствор электролита для нанотрубок можно защитить от кислорода и воды, которые могли бы вызвать осаждение нанотрубок», — сказал он.«Оказывается, это не препятствие, потому что мы хотим, чтобы нанотрубки осаждались и прилипали друг к другу, как только они выходят из герметичной системы через иглу.
Этот процесс было несложно контролировать, адаптировать и масштабировать, как только мы прикинули из фундаментальной науки ".Соавторами являются аспирант Райс Колин Янг, выпускник Даниэль Пол Хашим, бывший приглашенный исследователь Кэролин Рамирес и Пуликель Аджаян, профессор Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон в области машиностроения, материаловедения и химии и заведующий кафедрой материаловедения. Наука и наноинжиниринг.
Паскуали — заведующий кафедрой химии и профессор химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения, наноинженерии и химии. Марти — доцент кафедры химии и биоинженерии, материаловедения и наноинженерии.
Фонд Велча поддержал исследование.