Nanosvampe opsuger olie igen og igen

(Phys.org) - Forskere ved Rice University og Penn State University har opdaget, at tilsætning af et skvæt bor til kulstof, mens man skaber nanorør, gør dem til faste, svampet, genanvendelige blokke, der har en forbløffende evne til at absorbere olie spildt i vand.

Det er en af ​​en række potentielle innovationer for materialet skabt i et enkelt trin. Holdet fandt for første gang, at bor sætter knæk og albuer i nanorørene, når de vokser og fremmer dannelsen af ​​kovalente bindinger, som giver svampene deres robuste egenskaber.

Forskerne, som samarbejdede med jævnaldrende i laboratorier rundt om i landet og i Spanien, Belgien og Japan, afslørede deres opdagelse i Nature's online open-access journal Videnskabelige rapporter .

Hovedforfatter Daniel Hashim, en kandidatstuderende i Rice lab af materialeforsker Pulickel Ajayan, sagde, at blokkene begge er superhydrofobe (de hader vand, så de flyder rigtig godt) og oleofile (de elsker olie). Nanosvampene, som er mere end 99 procent luft, leder også elektricitet og kan nemt manipuleres med magneter.

At demonstrere, Hashim tabte svampen i en skål med vand med brugt motorolie flydende ovenpå. Svampen opsugede det. Så satte han en tændstik til materialet, brændte olien af ​​og returnerede svampen til vandet for at absorbere mere. Den robuste svamp kan bruges gentagne gange og modstår misbrug; han sagde, at en prøve forblev elastisk efter omkring 10, 000 kompressioner i laboratoriet. Svampen kan også opbevare olien til senere hentning, han sagde.

"Disse prøver kan gøres ret store og kan nemt skaleres op, " sagde Hashim, med en halv tommer firkantet blok af milliarder af nanorør. "De har en super lav tæthed, så den tilgængelige volumen er stor. Derfor kan optagelsen af ​​olie være så høj. ”Han sagde, at svampene beskrevet i avisen kan absorbere mere end hundrede gange deres vægt i olie.

Ajayan, Rice's Benjamin M. og Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi, nævnte flervæggede kulstof nanorør dyrket på et substrat via kemisk dampaflejring står normalt oprejst uden nogen egentlige forbindelser til deres naboer. Men de bor-introducerede defekter inducerede nanorørene til at binde på atomniveau, som viklede dem ind i et komplekst netværk. Nanorørsvampe med olieabsorberende potentiale er blevet fremstillet før, men det er første gang, at de kovalente forbindelser mellem nanorør i sådanne faste stoffer er blevet påvist overbevisende, han sagde.

"Interaktionerne sker efterhånden som de vokser, og materialet kommer ud af ovnen som et fast stof, " sagde Ajayan. "Folk har lavet nanorørs faste stoffer via eftervækstbehandling, men uden ordentlige kovalente forbindelser. Fordelen her er, at materialet skabes direkte under vækst og kommer ud som et tværbundet porøst netværk.

"Det er nemt for os at lave nano byggeklodser, men det har været svært at komme til makroskalaen, " sagde han. "Nanorørene skal forbindes enten gennem en smart måde at skabe topologiske defekter på, eller de skal svejses sammen. ”

Da han var bachelorstuderende ved Ajayan's ved Rensselaer Polytechnic Institute, Hashim og hans klassekammerater opdagede antydninger af en topologisk løsning på problemet, mens de deltog i et National Science Foundation-udvekslingsprogram på Institute of Scientific Research and Technology (IPICYT) i San Luis Potosí, Mexico. Avisens medforfatter, Mauricio Terrones, professor i fysik, materialevidenskab og teknik ved Penn State University med en aftale ved Shinshu University, Japan, ledet et nanoteknologisk laboratorium der.

"Vores mål var at finde en måde at lave tredimensionelle netværk af disse kulstofnanorør, der ville danne et stof i makroskala - en svampet blok af nanorør, der ville være stor og tyk nok til at blive brugt til at rense olieudslip og udføre andre opgaver , " sagde Terrones. "Vi indså, at tricket var at tilføje bor - et kemisk grundstof ved siden af ​​kulstof i det periodiske system - fordi bor hjælper med at udløse materialets sammenkoblinger. For at tilføje bor, vi brugte meget høje temperaturer, og så 'strikkede' vi stoffet ind i nanorørstoffet."

Forskerne har store forhåbninger til materialets miljømæssige anvendelser. "For olieudslip, du bliver nødt til at lave store plader af disse eller finde en måde at svejse plader sammen (en proces Hashim fortsætter med at arbejde på), ”Sagde Ajayan.

"Oprydning af olieudslip og miljøoprydning er kun begyndelsen på, hvor nyttige disse nye nanorørmaterialer kan være, ” tilføjede Terrones. “F.eks. vi kunne bruge disse materialer til at lave mere effektive og lettere batterier. Vi kunne bruge dem som stilladser til regenerering af knoglevæv. We even could impregnate the nanotube sponge with polymers to fabricate robust and light composites for the automobile and plane industries.”

Hashim suggested his nanosponges may also work as membranes for filtration.

“I don’t think anybody has created anything like this before, ” Ajayan said. “It’s a spectacular nanostructured sponge.”