Plader af kulstof nanorør kommer i en regnbue af farver

Nanomaterialeforskere i Finland, USA og Kina har skabt et farveatlas for 466 unikke varianter af enkeltvæggede kulstofnanorør.

Nanorørets farveatlas er detaljeret beskrevet i en undersøgelse i Avancerede materialer om en ny metode til at forudsige de specifikke farver på tynde film lavet ved at kombinere en af ​​de 466 varianter. Forskningen blev udført af forskere fra Aalto Universitet i Finland, Rice University og Peking University i Kina.

"Kulstof, som vi ser som sort, kan virke gennemsigtig eller antage enhver regnbuefarve, " sagde Aalto-fysiker Esko I. Kauppinen, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Arket fremstår sort, hvis lyset absorberes fuldstændigt af kulstofnanorør i arket. Hvis mindre end omkring halvdelen af ​​lyset absorberes i nanorørene, arket ser gennemsigtigt ud. Når atomstrukturen af ​​nanorørene kun forårsager visse lysfarver, eller bølgelængder, at blive absorberet, de bølgelængder, der ikke absorberes, reflekteres som synlige farver."

Carbon nanorør er lange, hule kulstofmolekyler, ligner i formen en haveslange, men med sider kun et atom tykke og diametre omkring 50, 000 gange mindre end et menneskehår. De ydre vægge af nanorør er lavet af rullet grafen. Og indpakningsvinklen af ​​grafen kan variere, ligesom vinklen på en rulle julegaveindpakningspapir. Hvis gavepapiret rulles forsigtigt, i nul vinkel, enderne af papiret flugter med hver side af gaveindpakningsrøret. Hvis papiret vikles skødesløst, i en vinkel, papiret vil hænge ud i den ene ende af røret.

Atomstrukturen og den elektroniske opførsel af hvert kulstof nanorør er dikteret af dets indpakningsvinkel, eller chiralitet, og dens diameter. De to træk er repræsenteret i en "(n, m)" nummereringssystem, der katalogiserer 466 varianter af nanorør, hver med en karakteristisk kombination af chiralitet og diameter. Hver (n, m) type nanorør har en karakteristisk farve.

Kauppinens forskergruppe har i årevis undersøgt kulstofnanorør og tynde nanorørsfilm. og det lykkedes tidligere at mestre fremstillingen af ​​farvede nanorør tynde film, der så grønne ud, brun og sølvgrå.

I den nye undersøgelse, Kauppinens team undersøgte forholdet mellem spektret af absorberet lys og den visuelle farve af forskellige tykkelser af tørre nanorørfilm og udviklede en kvantitativ model, der utvetydigt kan identificere farvemekanismen for nanorørfilm og forudsige de specifikke farver på film, der kombinerer rør med forskellige iboende farver og (n, m) betegnelser.

Risingeniør og fysiker Junichiro Kono, hvis laboratorium løste mysteriet med farverige nanorør i lænestole i 2012, leverede film udelukkende lavet af (6, 5) nanorør, der blev brugt til at kalibrere og verificere Aalto-modellen. Forskere fra Aalto og Peking University brugte modellen til at beregne absorptionen af ​​risfilmen og dens visuelle farve. Forsøg viste, at den målte farve på filmen svarede ret tæt til modellens farveprognose.

Aalto-modellen viser, at tykkelsen af ​​en nanorørsfilm, samt farven på nanorør, den indeholder, påvirke filmens absorption af lys. Aaltos atlas med 466 farver af nanorørfilm kommer fra kombination af forskellige rør. Forskningen viste, at de tyndeste og mest farverige rør påvirker synligt lys mere end dem med større diametre og falmede farver.

"Eskos gruppe gjorde et fremragende stykke arbejde med at teoretisk forklare farverne, kvantitativt, hvilket virkelig adskiller dette arbejde fra tidligere undersøgelser af nanorørs fluorescens og farve, " sagde Kono.

Siden 2013 har Konos laboratorium har været banebrydende for en metode til at lave meget velordnede 2-D nanorør-film. Kono sagde, at han havde håbet at kunne forsyne Kauppinens team med velordnede 2-D krystallinske film af nanorør af en enkelt chiralitet.

"Det var den oprindelige idé, men desværre, vi havde ikke passende single-chirality aligned film på det tidspunkt, " sagde Kono. "I fremtiden, vores samarbejde planlægger at udvide dette arbejde til at studere polarisationsafhængige farver i højt ordnede 2-D krystallinske film."

Den eksperimentelle metode, Aalto-forskerne brugte til at dyrke nanorør til deres film, var den samme som i deres tidligere undersøgelser:Nanorør vokser fra kuliltegas og jernkatalysatorer i en reaktor, der er opvarmet til mere end 850 grader Celsius. Væksten af ​​nanorør med forskellige farver og (n, m) betegnelser reguleres ved hjælp af kuldioxid, der tilføres reaktoren.

"Siden den tidligere undersøgelse, vi har overvejet, hvordan vi kunne forklare fremkomsten af ​​farverne på nanorørene, " sagde professor Nan Wei ved Peking Universitet, som tidligere har arbejdet som postdoc hos Aalto. "Af allotroperne af kulstof, grafit og trækul er sorte, og rene diamanter er farveløse for det menneskelige øje. Imidlertid, nu har vi bemærket, at enkeltvæggede kulstof nanorør kan antage enhver farve:f.eks. rød, blå, grøn eller brun."

Kauppinen sagde, at farvede tynde film af nanorør er bøjelige og duktile og kunne være nyttige i farvede elektronikstrukturer og i solceller.

"Farven på en skærm kunne ændres ved hjælp af en taktil sensor i mobiltelefoner, andre berøringsskærme eller oven på vinduesglas, for eksempel, " han sagde.

Kauppinen sagde, at forskningen også kan danne grundlag for nye former for miljøvenlige farvestoffer.