Pantry ingredienser kan hjælpe med at dyrke kulstof nanorør

Bagepulver, bordsalt, og vaskemiddel er overraskende effektive ingredienser til at tilberede kulstofnanorør, har forskere ved MIT fundet.

I en undersøgelse offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Angewandte Chemie , holdet rapporterer, at natriumholdige forbindelser, der findes i almindelige husholdningsingredienser, er i stand til at katalysere væksten af ​​kulstofnanorør, eller CNT'er, ved meget lavere temperaturer end traditionelle katalysatorer kræver.

Forskerne siger, at natrium kan gøre det muligt for kulstofnanorør at blive dyrket på et væld af materialer med lavere temperatur, såsom polymerer, som normalt smelter under de høje temperaturer, der er nødvendige for traditionel CNT-vækst.

"I kompositter til rumfart, der er mange polymerer, der holder kulfibre sammen, og nu er vi muligvis i stand til direkte at dyrke CNT'er på polymermaterialer, at gøre stærkere, hårdere, stivere kompositter, " siger Richard Li, undersøgelsens hovedforfatter og en kandidatstuderende i MIT's Department of Aeronautics and Astronautics. "Brug af natrium som katalysator låser virkelig op for den slags overflader, du kan dyrke nanorør på."

Li's MIT medforfattere er postdocs Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan, og Kehang Cui; alumni Akira Kudo Ph.D. '16, Andrew Liotta '16, og Ananth Govind Rajan SM '16, Ph.D. '19; professor i kemiteknik Michael Strano, og professor i luftfart og astronautik Brian Wardle, sammen med samarbejdspartnere ved National Institute of Standards and Technology og Harvard University.

Pilning af løg

Under et mikroskop, kulstof nanorør ligner hule cylindre af kyllingetråd. Hvert rør er lavet af et sammenrullet gitter af hexagonalt arrangerede carbonatomer. Bindingen mellem kulstofatomer er usædvanlig stærk, og når den er mønstret til et gitter, såsom grafen, eller som et rør, såsom en CNT, sådanne strukturer kan have enestående stivhed og styrke, samt unikke elektriske og kemiske egenskaber. Som sådan, forskere har udforsket belægning af forskellige overflader med CNT'er for at producere stærkere, stivere, hårdere materialer.

Forskere dyrker typisk CNT'er på forskellige materialer gennem en proces kaldet kemisk dampaflejring. Et materiale af interesse, såsom kulfibre, er belagt i en katalysator - sædvanligvis en jernbaseret forbindelse - og anbragt i en ovn, gennem hvilken kuldioxid og andre kulholdige gasser strømmer. Ved temperaturer på op til 800 grader celsius, jernet begynder at trække kulstofatomer ud af gassen, som glomer på jernatomerne og til hinanden, til sidst danner lodrette rør af kulstofatomer omkring individuelle kulfibre. Forskere bruger derefter forskellige teknikker til at opløse katalysatoren, efterlader rene kulstof nanorør.

Li og hans kolleger eksperimenterede med måder at dyrke CNT'er på forskellige overflader ved at belægge dem med forskellige opløsninger af jernholdige forbindelser, da holdet bemærkede, at de resulterende kulstofnanorør så anderledes ud, end de forventede.

"Rørene så lidt sjove ud, og Rich og holdet pillede forsigtigt løget tilbage, som det var, og det viser sig en lille mængde natrium, som vi havde mistanke om var inaktive, var faktisk årsag til hele væksten, " siger Wardle.

Tuning af natriums knopper

For det meste, jern har været den traditionelle katalysator for dyrkning af CNT. Wardle siger, at det er første gang, at forskere har set natrium have en lignende effekt.

"Natrium og andre alkalimetaller er ikke blevet undersøgt for CNT-katalyse, " siger Wardle. "Dette arbejde har ført os til en anden del af det periodiske system."

For at sikre, at deres første observation ikke bare var et tilfældighedsspil, teamet testede en række natriumholdige forbindelser. De eksperimenterede oprindeligt med natrium af kommerciel kvalitet, i form af bagepulver, bordsalt, og vaskemiddelpiller, som de fik fra campus-nærbutikken. Til sidst, imidlertid, de opgraderede til rensede versioner af disse forbindelser, som de opløste i vand. De nedsænkede derefter en kulfiber i hver forbindelses opløsning, belægning af hele overfladen i natrium. Endelig, de anbragte materialet i en ovn og udførte de typiske trin involveret i den kemiske dampaflejringsproces for at dyrke CNT'er.

Generelt, de fandt det, mens jernkatalysatorer danner kulstof nanorør ved omkring 800 grader Celsius, natriumkatalysatorerne var i stand til at danne korte, tætte CNT -skove ved meget lavere temperaturer, på omkring 480 C. Hvad mere er, efter at overflader havde brugt omkring 15 til 30 minutter i ovnen, natrium fordampede simpelthen væk, efterlader hule kulstof nanorør.

"En stor del af CNT-forskningen handler ikke om at dyrke dem, men ved at rense dem - at få de forskellige metaller, der bruges til at dyrke dem ud af produktet, " siger Wardle. "Det smarte med natrium er, vi kan bare varme det op og slippe af med det, og få ren CNT som produkt, hvilket du ikke kan med traditionelle katalysatorer."

Li siger, at fremtidigt arbejde kan fokusere på at forbedre kvaliteten af ​​CNT'er, der dyrkes ved hjælp af natriumkatalysatorer. Forskerne observerede, at mens natrium var i stand til at generere skove af kulstof nanorør, væggene i rørene var ikke perfekt justeret i perfekt sekskantede mønstre - krystallignende konfigurationer, der giver CNT'er deres karakteristiske styrke. Li planlægger at "tune forskellige knapper" i CVD-processen, ændring af timingen, temperatur, og miljøforhold, at forbedre kvaliteten af ​​natrium-dyrkede CNT'er.

"Der er så mange variabler, du stadig kan lege med, og natrium kan stadig konkurrere ret godt med traditionelle katalysatorer, " siger Li. "Vi forventer med natrium, det er muligt at få rør af høj kvalitet i fremtiden. Og vi har ret stor tillid til, at selvom du skulle bruge almindelig Arm and Hammer bagepulver, det burde virke."

For Shigeo Maruyama, professor i maskinteknik ved University of Tokyo, evnen til at tilberede CNT'er fra en så almindelig ingrediens som natrium skulle afsløre ny indsigt i den måde, de usædvanligt stærke materialer vokser på.

"Det er en overraskelse, at vi kan dyrke kulstofnanorør fra bordsalt!" siger Maruyama, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Selvom kemisk dampaflejring (CVD) vækst af kulstofnanorør er blevet undersøgt i mere end 20 år, ingen har forsøgt at bruge alkaligruppemetal som katalysator. Dette vil være et godt tip til den helt nye forståelse af vækstmekanismen for kulstofnanorør."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.