Forskers syrefri tilgang fører til stærke ledende karbontråde

(Phys.org) - Selve ideen om fibre lavet af carbon nanorør er pæn, men forskere fra Rice University gør dem pæne - bogstaveligt talt.

De enkeltvæggede carbon-nanorør i nye fibre, der er skabt på Rice, står som en håndfuld ubehandlet spaghetti gennem en proces designet af kemikeren Angel Martí og hans kolleger.

Den vanskelige smule, ifølge Martí, hvis laboratorium rapporterede sine resultater i denne måned i journalen ACS Nano , holder de tæt pakkede nanorør fra hinanden, før de trækkes sammen til en fiber.

Overladt til sig selv, carbon nanorør danner klumper, der er helt forkerte for at blive til den slags stærke, ledende fibre, der er nødvendige for projekter lige fra nanoskalaelektronik til makroskala elnet.

Tidligere forskning ved Rice af kemiker og kemiingeniør Matteo Pasquali, medforfatter på det nye papir, brugte en syreopløsningsproces til at holde nanorørene adskilt, indtil de kunne spindes til fibre. Nu Martí, Pasquali og deres kolleger producerer "pæne" fibre med den samme mekaniske proces, men de starter med en anden slags råvarer.

"Matteos gruppe brugte chlorsulfonsyre til at protonere overfladen af ​​nanorørene, "Sagde Martí." Det ville give dem en positivt ladet overflade, så de ville afvise hinanden i løsning. Den teknik, vi bruger, er præcis det modsatte. "

En proces afsløret sidste år af Martí og hovedforfattere Chengmin Jiang, en kandidatstuderende, og Avishek Saha, en risalumn, starter med negativt opladning af kulstofnanorør ved at tilføre dem kalium, et metal, og gøre dem til en slags salt kendt som en polyelektrolyt. De anvender derefter burlignende kronetere til at fange de kaliumioner, der ellers ville dæmpe nanorørernes evne til at frastøde hinanden.

Sæt nok nanorør i en sådan løsning, og de er fanget mellem de frastødende kræfter og manglende evne til at bevæge sig i et overfyldt miljø, Sagde Martí. De er tvunget til at justere - en definerende egenskab for flydende krystaller - og det gør dem mere håndterbare.

Rørene tvinges i sidste ende sammen til fibre, når de ekstruderes gennem spidsen af ​​en nål. På det tidspunkt, den stærke van der Waals -kraft overtager og binder nanorørene tæt sammen, Sagde Martí.

Men for at lave makroskopiske materialer, Martí -teamet havde brug for at pakke mange flere nanorør i løsningen end i tidligere forsøg. "Når du begynder at øge koncentrationen, antallet af nanorør i den flydende krystallinske fase bliver mere rigeligt end dem i den isotropiske (uordnede) fase, og det var præcis det, vi havde brug for, "Sagde Martí.

Forskerne opdagede, at 40 milligram nanorør pr. Milliliter gav dem en tyk gel efter blanding ved høj hastighed og filtrering af de store klumper, der var tilbage. "Det er som en centrifuge sammen med en roterende tromle, "Martí sagde om blandeudstyret." Det frembringer utraditionelle kræfter i løsningen. "

Fodring af denne tætte nanorørgel gennem en smal nålelignende åbning frembragte kontinuerlig fiber på Pasquali-laboratoriets udstyr. Styrken og stivheden af ​​de pæne fibre nærmede sig også den af ​​fibrene, der tidligere blev produceret med Pasqualis syrebaserede proces. "Vi foretog ingen ændringer af hans system, og det fungerede perfekt, "Sagde Martí.

Hårbreddefibrene kan væves i tykkere kabler, og teamet undersøger måder at forbedre deres elektriske egenskaber gennem doping af nanorør med iodid. "Forskningen er dybest set analog med, hvad Matteo gør, "Sagde Martí." Vi brugte hans værktøjer, men gav processen et spin med et andet præparat, så nu er vi de første til at lave pæne fibre af ren carbon nanorørelektrolytter. Det er meget sejt. "

Pasquali sagde, at spin -systemet fungerede med lidt behov for tilpasning, fordi opsætningen er forseglet. "Nanorørelektrolytopløsningen kunne beskyttes mod ilt og vand, hvilket ville have forårsaget nedbør af nanorørene, " han sagde.

"Det viser sig, at dette ikke er en showstopper, fordi vi vil have nanorørene til at udfælde og klæbe til hinanden, så snart de forlader det forseglede system gennem nålen. Processen var ikke svær at kontrollere, tilpasse og opskalere, når vi har fundet ud af den grundlæggende videnskab. "