Forskere fremmer karakterisering, oprensning af nanorørs ledninger og film

For at gøre kontinuerlig, stærke og ledende carbon nanorørfibre, det er bedst at starte med lange nanorør, ifølge forskere ved Rice University.

Rislaboratoriet af kemiker og kemiingeniør Matteo Pasquali, som demonstrerede sin banebrydende metode til at spinde kulstofnanorør til fibre i 2013, har avanceret kunsten at fremstille nanorør-baserede materialer med to nye artikler i American Chemical Society's ACS anvendte materialer og grænseflader .

Det første papir karakteriserede 19 partier af nanorør produceret af lige så mange producenter for at bestemme, hvilke nanorørs egenskaber, der giver de mest ledende og stærkeste fibre til brug i storskala rumfart, forbrugerelektronik og tekstilapplikationer.

Forskerne fastslog, at nanorørets størrelsesforhold - længde versus bredde - er en kritisk faktor, ligesom den samlede renhed af batchen. De fandt rørenes diameter, antal vægge og krystallinsk kvalitet er ikke så vigtigt for produktets egenskaber.

Pasquali sagde, at mens aspektforholdet af nanorør var kendt for at have indflydelse på fiberegenskaber, dette er det første systematiske arbejde for at etablere forholdet på tværs af en bred vifte af nanorørprøver. Forskere fandt ud af, at længere nanorør kunne behandles såvel som kortere, og at mekanisk styrke og elektrisk ledningsevne steg i låsetrin.

De bedste fibre havde en gennemsnitlig trækstyrke på 2,4 gigapascal (GPa) og en elektrisk ledningsevne på 8,5 megasiemens pr. omkring 15 procent af kobbers ledningsevne. Forøgelse af nanorørlængden under syntese vil give en vej mod yderligere egenskabsforbedringer, sagde Pasquali.

Det andet papir fokuserede på rensning af fibre fremstillet ved den flydende katalysatormetode til brug i film og aerogel. Denne proces er hurtig, effektiv og omkostningseffektiv i mellemskala og kan give direkte spinding af højkvalitets nanorørfibre; imidlertid, det efterlader urenheder, inklusive metalliske katalysatorpartikler og stykker kulstofrester, giver mindre kontrol over fiberstrukturen og begrænser mulighederne for at opskalere, sagde Pasquali.

"Det er der, disse to papirer mødes, " sagde han. "Der er grundlæggende to måder at lave nanorørfibre på. I en, du laver nanorørene og så spinder du dem til fibre, hvilket er det, vi har udviklet hos Rice. I den anden, udviklet ved University of Cambridge, du laver nanorør i en reaktor og tuner reaktoren sådan, at i slutningen, du kan trække nanorørene ud direkte som fibre.

"Det er klart, at de direkte spundne fibre inkluderer længere nanorør, så der er en interesse i at få rørene inkluderet i disse fibre som en materialekilde til vores spindemetode, " sagde Pasquali. "Dette arbejde er et første skridt mod dette mål."

Reaktorprocessen udviklet for ti år siden af ​​materialeforsker Alan Windle ved University of Cambridge producerer de nødvendige lange nanorør og fibre i ét trin, men fibrene skal renses, sagde Pasquali. Forskere ved Rice og National University of Singapore (NUS) har udviklet en simpel oxidativ metode til at rense fibrene og gøre dem anvendelige til en bredere vifte af applikationer.

Laboratoriet rensede fiberprøver i en ovn, først brænde kulstofurenheder ud i luft ved 500 grader Celsius (932 grader Fahrenheit) og derefter nedsænke dem i saltsyre for at opløse jernkatalysatorurenheder.

Urenheder i de resulterende fibre blev reduceret til 5 procent af materialet, hvilket gjorde dem opløselige i syrer. Forskerne brugte derefter nanorøropløsningen til at gøre ledende, gennemsigtige tynde film.

"Der er et stort potentiale for, at disse forskellige teknikker kan kombineres for at producere overlegne fibre, og teknologien skaleres op til industriel brug, " sagde medforfatter Hai Minh Duong, en NUS adjunkt i maskinteknik. "Den flydende katalysatormetode kan ret hurtigt producere forskellige typer af nanorør med god morfologikontrol. Nanorørfilamenterne kan opsamles direkte fra deres aerogel dannet i reaktoren. Disse nanorørfilamenter kan derefter renses og snos til fibre ved hjælp af befugtningsteknikken udviklet af Pasquali-gruppen."

Pasquali bemærkede, at samarbejdet mellem Rice og Singapore repræsenterer konvergens af en anden art. "Dette kan meget vel være første gang, nogen fra Cambridge fiberspinningslinje (Duong var postdoktor i Windles laboratorium) og risfiberspinningslinjen har konvergeret, " sagde han. "Vi arbejder sammen om at prøve materialer fremstillet i Cambridge-processen og tilpasse dem til Rice-processen."