Gennembrud inden for industriel nanorørbehandling

(PhysOrg.com) - Rice University-forskere afslørede i dag en metode til industriel forarbejdning af rene kulstof-nanorørfibre, der kan føre til revolutionære fremskridt inden for materialevidenskab, strømfordeling og nanoelektronik. Resultatet af et ni-årigt program, metoden bygger på gennemprøvede processer, som kemiske virksomheder har brugt i årtier til at fremstille plast. Forskningen er tilgængelig online i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

"Plast er en amerikansk industri på 300 milliarder dollar på grund af den massive gennemstrømning, der er mulig med væskebehandling, " sagde Rice's Matteo Pasquali, en medforfatter og professor i kemi og biomolekylær teknik og kemi. "Grunden til, at dagligvarebutikker bruger plastposer i stedet for papir, og grunden til at polyesterskjorter er billigere end bomuld, er, at polymerer kan smeltes eller opløses og forarbejdes som væsker af togvognens belastning. Behandling af nanorør, da væsker åbner alt væske- behandlingsteknologi, der er udviklet til polymerer. "

Rapporten er medforfattet af et 18-mands team af forskere fra Rices Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, University of Pennsylvania og Technion-Israel Institute of Technology. Medforfattere inkluderer Smalley Institute-navnebror Rick Smalley, den afdøde nobelpristager kemiker, der udviklede den første high-throughput metode til fremstilling af kulstof nanorør af høj kvalitet, samt Virginia Davis, en tidligere doktorand hos Pasquali's og Smalley's, som nu er professor ved Auburn University, og Micah Green, en tidligere postdoktor hos Pasquali, som nu er professor ved Texas Tech University.

Den nye proces bygger på Rice-opdagelsen i 2003 af en måde at opløse store mængder af rene nanorør i stærke sure opløsningsmidler som svovlsyre. Forskerholdet fandt efterfølgende ud af, at nanorør i disse løsninger tilpassede sig, som spaghetti i en pakke, at danne flydende krystaller, der kunne spindes til monofilamentfibre på størrelse med et menneskehår.

"Denne forskning etablerede en industrielt relevant proces for nanorør, der var analog med de metoder, der blev brugt til at skabe Kevlar fra stavlignende polymerer, bortset fra at syren ikke er et sandt opløsningsmiddel, " sagde Wade Adams, direktør for Smalley Institute og medforfatter af det nye papir. "Den aktuelle forskning viser, at vi har et sandt opløsningsmiddel til nanorør - chlorsulfonsyre - hvilket er det, vi satte os for at finde, da vi startede dette projekt for ni år siden."

Efter gennembruddet i 2003 med sure opløsningsmidler, holdet undersøgte metodisk, hvordan nanorør opførte sig i forskellige typer og koncentrationer af syrer. Ved at sammenligne og kontrastere adfærden af ​​nanorør i syrer med litteraturen om polymerer og stavlignende kolloider, holdet udviklede både de teoretiske og praktiske værktøjer, som kemiske virksomheder skal bruge til at behandle nanorør i bulk.

"Ishi Talmon og hans kolleger på Technion gjorde det kritiske arbejde, der krævedes for at hjælpe med at få direkte bevis for, at nanorør opløstes spontant i chlorsulfonsyre, " sagde Pasquali. "For at gøre dette, de var nødt til at udvikle nye eksperimentelle teknikker til direkte billeddannelse af glaserede hurtigfrosne syreopløsninger."

Talmon sagde, "Dette var et meget vanskeligt studie. Matteos team skulle ikke kun bane vejen for nye eksperimentelle teknikker for at opnå dette, de måtte også lave betydelige udvidelser til de klassiske teorier, der blev brugt til at beskrive løsninger af stænger. Technion-teamet skulle udvikle en ny metode, der gjorde det muligt for os at producere billeder i høj opløsning af nanorørene spredt i chlorsulfonsyre, en meget ætsende væske, ved state-of-the-art elektronmikroskopi ved kryogene temperaturer. "

Medforfatter Nicholas Parra-Vasquez, en ris kandidatstuderende vejledt af Pasquali, som nu arbejder i Frankrig, sagde, "Når jeg så på projektet, da jeg startede, Jeg anede ikke, hvor det skulle ende, og hvor meget arbejde der skulle gøres. Projektet omfattede mange studerende og professorer, samt samarbejder med andre skoler. På grund af dette, det var en langsom proces, men en der ikke efterlod nogen vej ukontrolleret. Ser på det nu, Jeg kan ikke tro, hvor stort det blev - hvor meget indsats der blev lagt i hvert punkt, der blev fundet."

Få teknologiske gennembrud er blevet hypet så meget som kulstofnanorør. Siden deres opdagelse i 1991, nanorør er blevet udråbt som alt fra en kur mod kræft til en løsning på verdens energikrise. Hypen er så meget desto mere bemærkelsesværdig, da nanorør er notorisk svære at arbejde med, og at kemikere verden over kæmpede i årevis selv for at lave dem.

Så hvorfor hypen? Enkelt sagt, kulstof nanorør er bemærkelsesværdige. Selvom de er nogenlunde samme størrelse og form som nogle stavlignende polymermolekyler, nanorør kan lede elektricitet såvel som kobber, og de kan enten være metaller eller halvledere. De kan mærkes med antistoffer til diagnosticering af sygdomme eller opvarmes med radiobølger for at ødelægge kræft. De er blevet brugt til at gøre transistorer langt mindre end dem i nutidens fineste mikrochips. Nanorør vejer også omkring en sjettedel så meget som stål, men kan være op til 100 gange stærkere.

"Kevlar, polymerfiberen, der bruges i skudsikre veste, er omkring fem til ti gange stærkere end vores stærkeste nanorørfibre i dag, men i princippet burde vi være i stand til at gøre vores fibre omkring 100 gange stærkere, " sagde Pasquali. "Hvis vi kan realisere selv 20 procent af vores potentiale, vi vil have et godt materiale, måske den stærkeste der nogensinde er kendt.

"Den elektriske ledningsevne er allerede ret god, "sagde han." Det er omtrent det samme med de bedst ledende kulstof-kulfiber, og det kunne forbedres 200 gange, hvis der kan findes bedre produktionsmetoder til metalliske nanorør."

Den nye forskning dukker op, netop som Smalley Institute forbereder en 10-års jubilæumsfejring den 5. november for skabelsen af ​​Smalleys "HiPco"-reaktor, det første system, der er i stand til at producere højkvalitets nanorør i bulk. HiPco, kort for højtryks kulilteproces, brød problemet med nanorørproduktion og banede vejen for mere videnskabelig undersøgelse og for industrien til at begynde at bruge dem i nogle materialer. Industrielle nanorørreaktorer genererer i dag adskillige tons kulstofnanorør af lav kvalitet om året, og det verdensomspændende marked for nanorør forventes at toppe $2 milliarder årligt inden for det næste årti.

Men et endeligt gennembrud er tilbage, før det sande potentiale af kulstofnanorør af høj kvalitet kan realiseres. Det er fordi HiPco og alle andre metoder til at lave high-end, "enkeltvæggede" nanorør genererer en mængde nanorør med forskellige diametre, længder og molekylære strukturer. Forskere verden over kæmper for at finde en proces, der vil generere kun én slags nanorør i bulk, som de bedst ledende metalliske sorter, for eksempel.

"En god ting ved den proces, vi har lige nu, er, at hvis nogen kunne give os et gram rene metalliske nanorør, vi kunne give dem et gram fiber inden for et par dage, " sagde Pasquali.

Kilde:Rice University (nyheder:web)