Groovy nøgle til nanorør i 2-D

Ultratynde carbon nanorør krystaller kunne have vidunderlige anvendelser, som at konvertere spildvarme til elektricitet med næsten perfekt effektivitet, og Rice Universitys ingeniører har taget et stort skridt hen imod det mål.

Det seneste skridt fortsætter en historie, der begyndte i 2013, da Rice's Junichiro Kono og hans elever opdagede en banebrydende metode til at få kulstofnanorør til at stille sig op i tynde film på en filtermembran.

Nanorør er lange, hule og notorisk tilbøjelige til sammenfiltring. Forestil dig en haveslange, der er snesevis af kilometer lang, krymp derefter slangens diameter til et par atomers bredde. Enhver, der nogensinde har kæmpet med en knyttet slange, kan sætte pris på Konos bedrift:Han og hans elever havde forvandlet en hob af uregerlige nanorør til et velordnet kollektiv. Af egen drift, og i milliarder, nanorør lå gerne side om side, som tør spaghetti i en æske.

Problemet? Kono og hans elever anede ikke, hvorfor det skete.

"Det var magisk. Jeg mener, virkelig mystisk, " sagde Kono, en elektroingeniør, anvendt fysiker og materialeforsker, der har studeret kulstof nanorør i mere end to årtier. "Vi anede ikke, hvad der virkelig skete i mikroskopisk skala. Og vigtigst af alt, vi vidste ikke engang, i hvilken retning de nanorør ville rette sig."

Han og hans team offentliggjorde deres resultater i 2016, og feltet vejede ind med mulige forklaringer. Svaret, som beskrevet i et nyt papir af Konos team og samarbejdspartnere i Japan, er både uventet og enkelt:Små parallelle riller i filterpapiret - en artefakt af papirets produktionsproces - forårsager justeringen af ​​nanorøret. Forskningen er tilgængelig online i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Kono sagde en kandidatstuderende i sit laboratorium, studiet hovedforfatter Natsumi Komatsu, var den første til at bemærke rillerne og forbinde dem med nanorørsjustering.

"Jeg fandt ud af, at ethvert kommercielt indkøbt filtermembranpapir brugt til denne teknik har disse riller, " sagde Komatsu. "Tætheden af ​​riller varierer fra batch til batch. Men der er altid riller."

For at danne de 2-D krystallinske film, forskere suspenderer først en blanding af nanorør i en vand-overfladeaktivt stofopløsning. Det sæbelignende overfladeaktive middel dækker nanorørene og fungerer som en dettangler. I 2013 Konos elever brugte vakuumfiltrering til at trække disse blandinger gennem membranfilterpapir. Væsken passerede gennem papirmembranen, efterlader en film af justerede nanorør på toppen.

I et udtømmende sæt af eksperimenter, Komatsu og kolleger, herunder Kono-gruppens postdoktorale forsker Saunab Ghosh, viste, at justeringen af ​​nanorør i disse film svarede til parallel, submikroskopiske riller på papiret. Rillerne dannes sandsynligvis, når filterpapiret trækkes på ruller på fabrikken, sagde Kono.

Komatsu undersøgte snesevis af prøver af filterpapir og brugte scanningselektronmikroskoper og atomkraftmikroskoper til at karakterisere riller og mønstre af riller. Hun skar filtre i stykker, Samlede stykkerne igen med riller vendte mod forskellige retninger og viste, at de producerede film med matchende justeringer.

Komatsu og kolleger brugte også varme og tryk til at fjerne rillerne fra filterpapir, ved at bruge de samme principper, der er involveret i at stryge rynker fra tøj. De viste, at film lavet med rillefrit papir havde nanorør justeret i flere retninger.

Endelig, begyndende med rillefrit papir, de viste, at de kunne bruge et meget fint reflekterende gitter med periodiske riller til at skabe deres egne mønstre af riller, og at tilsvarende nanorørfilm fulgte disse mønstre.

Kono sagde, at metoden er spændende, fordi den bringer et nødvendigt niveau af forudsigelighed til produktionen af ​​2-D krystallinske nanorørfilm.

"Hvis nanorørene er tilfældigt orienteret, du mister alle de endimensionelle egenskaber, " sagde Kono. "At være endimensionel er nøglen. Det fører til alle de usædvanlige, men vigtige egenskaber."

Mens Kono-gruppens film i det væsentlige er 2-D - så meget som en tomme i diameter, men kun et par milliardtedele af en meter tykke - opfører de individuelle nanorør sig som 1D-materialer, især med hensyn til deres optiske og elektroniske egenskaber.

Kulstofnanorørs ekstraordinære optiske og elektroniske egenskaber afhænger af deres diameter og struktur, eller chiralitet. Nogle chiraliteter virker som metaller og andre som halvledere, og forskere har kæmpet i årtier for at finde en måde at gøre store, makroskopiske objekter som en ledning eller en af ​​Konos film med en diameter på 1 tommer udelukkende af nanorør med én diameter og chiralitet.

"Det er åbenbart det næste skridt, " sagde Ghosh. "I denne undersøgelse, vi brugte stadig en blanding af metalliske og halvledende carbon nanorør med en diameterfordeling. Det næste trin er at anvende denne nye metode baseret på forsætlig rillefremstilling ved hjælp af et gitter for at opnå total kontrol over justeringsretningen."

Kono sagde, at hans team har lavet meget tilpassede 2-D krystaller fra løsninger med en forskelligartet blanding af nanorør.

"Men når vi går til en enkelt-kiralitetsløsning, vi var aldrig tilfredse med justeringen, " sagde han. "Nu, med denne viden om riller, vi er overbeviste om, at vi kan forbedre graden af ​​justering i tilfælde af single-chirality carbon nanorør-film."

Single-chirality-film kunne åbne døren til applikationer med forbløffende potentiale – f.eks. plader af rent kulstof, der omdanner varme til lys med næsten perfekt effektivitet. At gifte et sådant ark med et fotovoltaisk materiale kunne give en måde at omdanne varme til elektrisk energi meget effektivt, skabe mulighed for radiatorer, der både køler motorer og elektronik, samtidig med at de driver dem.

Konos laboratorium og forskergruppen af ​​Rice's Gururaj Naik demonstrerede konceptet for dette i et 2019-papir om hyperbolske kulstof-nanorørfilm.

Single-chirality krystallinske film kan også bruges til at studere nye stoftilstande, såsom exciton-polaritoner og Bose-Einstein-kondensater, og for applikationer, der endnu ikke er forudset, sagde Kono.

"I dette øjeblik, kun et lille antal grupper i verden kan få disse på linje, meget tæt, tungt pakkede kulstof nanorør-film, " sagde han. "Og det arbejde, vi lige har afsluttet, det groove-assisterede arbejde, giver mere kontrol. Dette vil føre til bedre film, nye applikationer og ny videnskab. Vi er meget spændte."