Ioner styrer formen af ​​nanofibre dyrket på klart substrat

Forskere fra North Carolina State University har fundet en ny måde at udvikle lige carbon nanofibre på et gennemsigtigt substrat. Dyrkning af sådanne nanofiberbelægninger er vigtig til brug i nye biomedicinske forskningsværktøjer, solceller, vandafvisende belægninger og andre. Teknikken bruger et ladet kromgitter, og er afhængig af ioner for at sikre, at nanofibrene er lige, i stedet for at krølle – hvilket begrænser deres anvendelighed.

"Det er første gang, som jeg kender til, hvor nogen har været i stand til at dyrke lige carbon nanofibre på et klart underlag, " siger Dr. Anatoli Melechko, en lektor i materialevidenskab og teknik ved NC State og medforfatter til et papir, der beskriver forskningen. "Sådanne nanofibre kan bruges som genleveringsværktøjer. Og et gennemsigtigt substrat giver forskerne mulighed for at se, hvordan nanofibrene interagerer med celler, og at manipulere denne interaktion."

Specifikt, nanofibrene kan belægges med genetisk materiale og derefter indsættes i cellekernen – f.eks. at lette forskningen i genterapi. Det gennemsigtige substrat forbedrer synlighed, fordi forskere kan skinne lys igennem det, skabe bedre kontrast og gøre det nemmere at se, hvad der foregår.

Forskerne lærte også, at ioner spiller en nøglerolle i at sikre, at kulstofnanofibrene er lige. For at forstå den rolle, du skal vide, hvordan teknikken virker.

Nanofibrene fremstilles ved at fordele nikkelnanopartikler jævnt på et substrat lavet af smeltet silicium (som er ren siliciumdioxid). Substratet overlejres derefter med et fint gitter lavet af krom, som fungerer som elektrode. Substratet og gitteret placeres derefter i et kammer ved 700 grader Celsius, som derefter fyldes med acetylen og ammoniakgas. Kromgitteret er en negativt ladet elektrode, og toppen af ​​kammeret indeholder en positivt ladet elektrode.

Derpå tilføres elektrisk spænding til de to elektroder, skabe et elektrisk felt i kammeret, der exciterer atomerne i acetylen- og ammoniakgassen. Nogle af elektronerne i disse atomer bryder væk, skabe frie elektroner og positivt ladede atomer kaldet ioner. De frie elektroner accelererer rundt i kammeret, banker endnu flere elektroner løs. De positivt ladede ioner trækkes til det negativt ladede gitter på gulvet i kammeret.

I mellemtiden nikkelnanopartiklerne tjener som katalysatorer, reagerer med kulstoffet i acetylengassen (C ₂ H ₂ ) for at skabe grafitiske carbon nanofibre. Katalysatoren kører på spidsen af ​​nanofiberen, der dannes under den, som en hurtigt voksende søjle. Udtrykket grafitisk betyder, at nanofibrene har kulstofatomer arrangeret i en sekskantet struktur – ligesom grafit.

Et problem med at dyrke kulstofnanofibre er, at overfladen af ​​katalysatoren kan blive blokeret af en kulstoffilm, der blokerer for katalytisk virkning, forhindre yderligere vækst af nanofibre. Det er her, de ioner kommer ind.

Ionerne, der trækkes til kromgitteret, bevæger sig meget hurtigt, og de vælger den kortest mulige vej for at nå det negativt ladede metal. I deres hastværk for at nå nettet, ionerne kolliderer ofte med nikkelkatalysatorerne, at slå det overskydende kulstof væk – og tillade yderligere vækst af nanofibre.

Fordi ionerne bliver trukket til kromgitteret, den vinkel, hvormed de rammer katalysatorerne, afhænger af, hvor katalysatoren er placeret i forhold til gitteret. For eksempel, hvis du kigger ned på gitteret, en katalysator lige til højre for gitteret vil se ud til at hælde til højre – fordi ioner ville have ramt den højre side af katalysatoren i et forsøg på at nå gitteret. Disse nanofibre er stadig lige – de krøller sig ikke sammen – de læner sig simpelthen i én retning. Størstedelen af ​​nanofibrene, imidlertid, er både lige og lodret justeret.

"Dette fund giver os en mulighed for at skabe nye reaktorer til at skabe nanofibre, bygning i kromnettet, " siger Melechko.