Nyt materiale syntetiseret:grafen nanobånd inde i kulstof nanorør

Fysikere fra Umeå Universitet har fundet en effektiv måde at syntetisere grafen nanobånd direkte inde i enkeltvæggede kulstof nanorør. Resultatet blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nano Letters.

grafen, en etatoms tynd flage af almindeligt kulstof, har en bred vifte af usædvanlige og yderst interessante egenskaber. Som en leder af elektricitet fungerer den lige så godt som kobber. Som varmeleder overgår den alle andre kendte materialer. Der er muligheder for at opnå stærke variationer af grafenegenskaberne ved at lave grafen i form af bælter med forskellige bredder, såkaldte nanobånd. Disse nanobånd er nu det virkelige fokus for opmærksomhed i fysik og et ekstremt lovende materiale til elektronik, solceller og mange andre ting. Imidlertid, det har ikke været let at lave sådanne bånd.

Lektor Alexandr Talyzin og hans forskningsgruppe ved Institut for Fysik, Umeå Universitet, har sammen med kolleger fra professor Esko Kauppinens gruppe, Aalto Universitet i Finland, opdaget en måde at bruge det hule rum inde i kulstofnanorør som en endimensionel kemisk reaktor til at lave indkapslet grafen. En spændende egenskab ved dette rum er, at kemiske reaktioner forekommer anderledes her sammenlignet med under bulk tredimensionelle forhold.

"Vi brugte coronen og perylen, som er store organiske molekyler, som byggesten til at producere lange og smalle grafen nanobånd inde i rørene. Ideen om at bruge disse molekyler som byggesten til grafensyntese var baseret på vores tidligere undersøgelse, " siger Alexandr Talyzin.

Denne undersøgelse afslørede, at coronenmolekyler kan reagere med hinanden under visse betingelser for at danne dimerer, trimere og længere molekyler i bulkpulverform. Resultatet antydede, at coronenmolekyler muligvis kan bruges til syntese af grafen, men skal på en eller anden måde justeres i ét plan for den nødvendige reaktion. Det indre rum af enkeltvæggede carbonnanorør syntes at være et ideelt sted at tvinge molekyler ind i den kant-til-kant-geometri, der kræves til polymerisationsreaktionen.

I den nye undersøgelse, forskerne viser, at det er muligt. Da de første prøver blev observeret ved elektronmikroskopi af Ilya Anoshkin ved Aalto University, spændende resultater blev afsløret:alle nanorør var fyldt inde med grafen nanobånd.

"Forsøgenes succes afhang også meget af valget af nanorør. Nanorør med passende diameter og i høj kvalitet blev leveret af vores medforfattere fra Aalto University, " siger Alexandr Talyzin.

Senere fandt forskerne ud af, at formen af ​​indkapslede grafen nanobånd kan modificeres ved at bruge forskellige slags aromatiske kulbrinter. Egenskaberne ved nanobånd er meget forskellige afhængigt af deres form og bredde. For eksempel, nanobånd kan være enten metalliske eller halvledende afhængigt af deres bredde og type. Interessant nok, kulstof nanorør kan også være metalliske, halvledende (afhængigt af deres diameter) eller isolerende, når de er kemisk modificerede.

"Dette skaber et enormt potentiale for en bred vifte af applikationer. Vi kan fremstille hybrider, der kombinerer grafen og nanorør i alle mulige kombinationer i fremtiden, " siger Alexandr Talyzin.

For eksempel, metalliske nanobånd inde i isolerende nanorør er meget tynde isolerede ledninger. De kan bruges direkte inde i kulstof nanorør til at producere lys og dermed lave nano-lamper. Halvledende nanobånd kan muligvis bruges til transistorer eller solcelleapplikationer, og metallisk-metallisk kombination er faktisk en ny slags koaksialt nanokabel, makroskopiske kabler af denne art anvendes f.eks. til udsendelse af radiosignaler.

Den nye metode til hybridsyntese er meget enkel, let skalerbar og gør det muligt at opnå næsten 100 procent fyldning af rør med nanobånd. De teoretiske simuleringer, opført af Arkady Krasheninnikov i Finland, viser også, at grafen nanobåndene bevarer deres unikke egenskaber inde i nanorørene, mens de er beskyttet mod miljøet ved indkapsling og justeret i bundter af enkeltvæggede nanorør.

"Det nye materiale virker meget lovende, men vi har en masse tværfagligt arbejde foran os inden for fysik og kemi. At syntetisere materialet er kun en begyndelse. Nu vil vi lære dets elektriske, magnetiske og kemiske egenskaber og hvordan man bruger hybriderne til praktiske formål, " siger Alexandr Talyzin.