Forskere maler nanorør for at få nanobånd

En simpel måde at forvandle kulstof nanorør til værdifulde grafen nanobånd kan være at slibe dem, ifølge forskning ledet af Rice University.

Tricket, sagde rismaterialeforsker Pulickel Ajayan, er at blande to typer kemisk modificerede nanorør. Når de kommer i kontakt under slibning, de reagerer og pakker ud, en proces, der indtil nu i høj grad har været afhængig af reaktioner i barske kemiske opløsninger.

Forskningen fra Ajayan og hans internationale samarbejdspartnere vises i Naturkommunikation .

For at være klar, Ajayan sagde, den nye proces er stadig en kemisk reaktion, der afhænger af molekyler, der med vilje er knyttet til nanorørene, en proces kaldet funktionalisering. Den mest interessante del for forskerne er, at en proces så simpel som slibning kunne levere stærk kemisk kobling mellem faste nanostrukturer og producere nye former for nanostrukturerede produkter med specifikke egenskaber.

"Kemiske reaktioner kan let udføres i løsninger, men dette arbejde er fuldstændig solid state, " sagde han. "Vores spørgsmål er dette:Hvis vi kan bruge nanorør som skabeloner, funktionalisere dem og få reaktioner under de rigtige forhold, Hvilken slags ting kan vi lave med et stort antal mulige nanostrukturer og kemiske funktionelle grupper?"

Processen skulle muliggøre mange nye kemiske reaktioner og produkter, sagde Mohamad Kabbani, en kandidatstuderende på Rice og hovedforfatter af papiret. "Brug af forskellige funktionaliteter i forskellige nanoskalasystemer kan revolutionere udviklingen af ​​nanomaterialer, " han sagde.

Meget ledende grafen-nanobånd, tusindvis af gange mindre end et menneskehår, finder vej ind på markedspladsen i kompositmaterialer. Nanobåndene booster materialernes elektroniske egenskaber og/eller styrke.

"Kontrol af sådanne strukturer ved mekanisk-kemisk transformation vil være nøglen til at finde nye applikationer, " sagde medforfatter Thalappil Pradeep, en professor i kemi ved Indian Institute of Technology Chennai. "Blød kemi af denne art kan forekomme under mange forhold, bidrager til en bedre forståelse af materialebearbejdning."

I deres tests, forskerne forberedte to partier af flervæggede kulstof nanorør, den ene med carboxylgrupper og den anden med hydroxylgrupper knyttet. Når det er malet sammen i op til 20 minutter med en morter og støder, de kemiske tilsætningsstoffer reagerede med hinanden, trigger nanorørene til at pakke ud i nanobånd, med vand som biprodukt.

"Den serendipitære observation vil føre til yderligere systematiske undersøgelser af nanorørs reaktioner i fast tilstand, herunder ab-initio teoretiske modeller og simuleringer, " sagde Ajayan. "Det her er spændende."

Eksperimenterne blev duplikeret af deltagende laboratorier på Rice, på Indian Institute of Technology og på det libanesiske amerikanske universitet i Beirut. De blev udført i standard laboratorieforhold såvel som i et vakuum, udendørs i fri luft og ved variabel luftfugtighed, temperaturer, tider og årstider.

Forskerne, der udførte samarbejdet på tre kontinenter, ved stadig ikke præcist, hvad der sker på nanoskalaen. "Det er en eksoterm reaktion, så energien er nok til at bryde nanorørene op i bånd, men detaljerne i dynamikken er svære at overvåge, " sagde Kabbani. "Der er ingen måde, vi kan male to nanorør i et mikroskop og se det ske. Ikke endnu, alligevel."

Men resultaterne taler for sig selv.

"Jeg ved ikke, hvorfor folk ikke har udforsket denne idé, at du kan kontrollere reaktioner ved at understøtte reaktanterne på nanostrukturer, " sagde Ajayan. "Det, vi har gjort, er meget råt, men det er en begyndelse, og en masse arbejde kan følge i denne retning."