Kontrol af kemi forbedrer potentialet for kulstofnanorør

(PhysOrg.com) - Et team af forskere i nanoteknologi fra University of Maryland har løst en af ​​de mest irriterende udfordringer, der forhindrer brugen af ​​kulnanomaterialer til bedre elektrisk energilagring eller forbedring af biosensorers fluorescensmålingskapacitet. Resultaterne er offentliggjort i 12. juli-udgaven af Naturkommunikation .

Den banebrydende forskning blev ledet af professor Yu Huang Wang fra Institut for Kemi og Biokemi og udført i universitetets Nanostructures for Electrical Energy Storage Center (et Energy Frontier Research Center i Department of Energy). Northwestern University, og Maryland NanoCenter.

Carbon nanorør (CNT'er) er anerkendt har et enormt potentiale. De er nogle af de mest ledende strukturer, der nogensinde er lavet - højeffektive elektroder med enormt overfladeareal. For at drage fuld fordel af disse egenskaber, imidlertid, CNT'er skal være opløselige-dvs. har evnen til at blive spredt i et flydende miljø eller til at belægge et fast kompositmateriale jævnt. Desværre, i deres rå tilstand er CNT'er uopløselige; de klumper sig sammen i stedet for at sprede sig.

I mere end et årti, forskere har udviklet nye kemiske processer for at løse denne udfordring. En idé har været at skabe permanente defekter på overfladerne af CNT'er og "funktionalisere" dem, så de er opløselige. Desværre, dette har også den uønskede bivirkning, at det hurtigt ødelægger CNT'ernes elektriske og optiske egenskaber.

Wang og hans team har udviklet en ny funktionaliseringsproces for CNT'er, der leverer opløselighed og bevarer elektriske og optiske egenskaber. De funktionaliserer målrettet defekter på rørene på nyttige-ikke tilfældige steder, skabe strategiske "funktionelle grupper". Disse omhyggeligt placerede molekylære grupper gør det muligt for CNT'er let at sprede sig, mens de bevarer deres optiske egenskaber og evne til at lede elektrisk strøm i store områder langs røret.

Udfordringen har været at kontrollere de kemiske reaktioner, der producerer de funktionelle grupper på CNT'erne. Ved at bruge en kemisk proces kaldet Billups-Birch-reduktiv alkylcarboxylering, Wangs team fandt ud af, at de gradvist kunne tilføje nye funktionelle grupper til CNT-væggen på en kontrolleret måde uden at introducere utilsigtede nye defekter.

Når CNT'erne nedsænkes i en kemisk opløsning i et bestemt tidsrum, de funktionaliserede grupper på nanorørene forlænges med en forudsigelig mængde. Hver gang processen gentages, eller når tiden i opløsningen øges, sektionerne bliver længere. Når CNT'erne ses under en særlig, elektronmikroskop med høj forstørrelse, det er tydeligt, at funktionaliseringen er forløbet i længderetningen langs røret.

Formeringen kan starte enten fra naturligt forekommende eller forsætligt indførte defekter. Fordi udbredelsesmekanismen begrænser reaktionen og strategisk kontrollerer, hvor de funktionelle grupper vokser, Wangs team kan producere grupperede funktionelle grupper på en kontrolleret, konstant udbredelseshastighed. Det er den første klart etablerede våde kemi proces, der gør det.

Gennembruddet gør det muligt at skabe nye funktionelle strukturer såsom "båndede" nanorør med vekslende segmenter af funktionaliserede og intakte regioner. De funktionaliserede regioner forhindrer CNT'erne i at klumpe sig, hvilket gør dem blandt de mest vandopløselige CNT'er kendt. På samme tid, intakte bånd, ikke-funktionaliserede områder af CNT'erne gør det muligt at bibeholde elektriske og optiske egenskaber.

"Dette er vigtigt for den fremtidige brug af disse materialer i batterier og solceller, hvor der søges effektiv ladningsopsamling og transport, " Wang forklarer. "Disse CNT'er kunne også bruges som meget følsomme biokemiske sensorer på grund af deres skarpe optiske absorption og langlivede fluorescens i de nære infrarøde områder, hvor væv er næsten optisk gennemsigtige."

"Dette er et stort skridt i retning af at opbygge de kontrollerede nanostrukturer, der er nødvendige for at forstå elektrokemisk videnskab og dens værdi for energiløsninger, "siger University of Maryland NanoCenter Director, Professor Gary Rubloff, en samarbejdspartner på projektet.