Nyt opløsningsmiddel forenkler industriel 3D, roll-to-roll carbon nanorør-udskrivning

Kulstof nanorør, der er tilbøjelige til at filtre sammen som spaghetti, kan bruge en lille speciel sauce til at realisere deres fulde potentiale.

Rice University-forskere er kommet frem til netop saucen, et syrebaseret opløsningsmiddel, der forenkler behandlingen af ​​kulstofnanorør på en måde, der er nemmere at skalere op til industrielle anvendelser.

Matteo Pasqualis rislaboratorium rapporterede i Science Advances på sin opdagelse af en unik kombination af syrer, der hjælper med at adskille nanorør i en opløsning og omdanne dem til film, fibre eller andre materialer med fremragende elektriske og mekaniske egenskaber.

Undersøgelsen ledes af kandidatalumnen Robert Headrick og kandidatstuderende Steven Williams rapporterer, at opløsningsmidlet er kompatibelt med konventionelle fremstillingsprocesser. Det skulle hjælpe det med at finde en plads i produktionen af ​​avancerede materialer til mange applikationer.

"Der er en voksende erkendelse af, at det nok ikke er en god idé at øge udvindingen af ​​kobber og aluminium og nikkel," sagde Pasquali, Rice's A.J. Hartsook Professor og professor i kemisk og biomolekylær teknik, kemi og materialevidenskab og nanoteknik. Han er også direktør for den risbaserede Carbon Hub, som fremmer udviklingen af ​​avancerede kulstofmaterialer til gavn for miljøet.

"Men der er denne gigantiske mulighed for at bruge kulbrinter som vores malm," sagde han. "I det lys er vi nødt til at udvide så meget som muligt rækkevidden, hvor vi kan bruge kulstofmaterialer, især hvor det kan fortrænge metaller med et produkt, der kan fremstilles bæredygtigt af et råmateriale som kulbrinter." Pasquali bemærkede, at disse fremstillingsprocesser også producerer rent brint.

"Carbon er rigeligt, vi kontrollerer forsyningskæderne, og vi ved, hvordan vi får det ud på en miljømæssig ansvarlig måde," sagde han.

En bedre måde at behandle kulstof på vil hjælpe. Opløsningsmidlet er baseret på methansulfonsyre (MSA), p-toluensulfonsyre (pToS) og oleumsyrer, der, når de kombineres, er mindre ætsende end dem, der i øjeblikket bruges til at behandle nanorør i en opløsning. Adskillelse af nanorør (som forskere kalder opløsning) er et nødvendigt trin, før de kan ekstruderes gennem en nål eller anden enhed, hvor forskydningskræfter hjælper med at gøre dem til velkendte fibre eller ark.

Oleum og chlorsulfonsyrer har længe været brugt til at opløse nanorør uden at ændre deres strukturer, men begge er stærkt ætsende. Ved at kombinere oleum med to svagere syrer udviklede holdet en bredt anvendelig proces, der muliggør ny fremstilling af nanorør-produkter.

"Oleum omgiver hvert enkelt nanorør og giver det en meget lokaliseret positiv ladning," sagde Headrick, nu forsker ved Shell. "Den ladning får dem til at frastøde hinanden."

Efter udfiltring adskiller de mildere syrer nanorørene yderligere. De fandt ud af, at MSA er bedst til fiberspinding og rulle-til-rulle-filmproduktion, mens pToS, et fast stof, der smelter ved 40 grader Celsius (104 grader Fahrenheit), er særligt nyttigt til 3D-printapplikationer, fordi det gør det muligt at behandle nanorør-løsninger ved en moderat temperatur og derefter størknet ved afkøling.

Forskerne brugte disse stabile flydende krystallinske løsninger til at lave ting på både moderne og traditionelle måder, 3D-printning af carbon nanorør-aerogeler og silketrykmønstre på en række forskellige overflader, inklusive glas.

Løsningerne muliggjorde også roll-to-roll produktion af transparente film, der kan bruges som elektroder. "Helt ærligt, det var lidt overraskende, hvor godt det fungerede," sagde Headrick. "Det kom ret fejlfrit ud ved første forsøg."

Forskerne bemærkede, at oleum stadig kræver omhyggelig håndtering, men når den først er fortyndet med de andre syrer, er opløsningen meget mindre aggressiv over for andre materialer.

"De syrer, vi bruger, er så meget blidere, at du kan bruge dem med almindelig plast," sagde Headrick. "Det åbner døren til en masse materialebehandlings- og trykteknikker, som allerede er på plads i produktionsfaciliteterne.

"Det er også virkelig vigtigt for at integrere kulstof nanorør i andre enheder, deponere dem som et trin i en enheds-fremstillingsproces," sagde han.

De rapporterede, at de mindre ætsende opløsninger ikke afgav skadelige dampe og var nemmere at rydde op efter produktion. MSA og pToS kan også genbruges efter behandling af nanorør, hvilket reducerer deres miljøpåvirkning og energi- og forarbejdningsomkostninger.

Williams sagde, at næste trin er at finjustere opløsningsmidlet til applikationer og at bestemme, hvordan faktorer som chiralitet og størrelse påvirker nanorørsbehandling. "Det er virkelig vigtigt, at vi har rene rør af høj kvalitet med stor diameter," sagde han.

Medforfattere til papiret er alumna Lauren Taylor og kandidatstuderende Oliver Dewey og Cedric Ginestra fra Rice; kandidatstuderende Crystal Owens og professorerne Gareth McKinley og A. John Hart ved Massachusetts Institute of Technology; alumna Lucy Liberman, kandidatstuderende Asia Matatyaho Ya'akobi og Yeshayahu Talmon, professor emeritus i kemiteknik, ved Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel; og Benji Maruyama, autonome materialer leder i Materials and Manufacturing Directorate, Air Force Research Laboratory. + Udforsk yderligere

Molekylær jiggling har konsekvenser for carbon nanorørfibre