Forskere opdager måden at binde nanorør til metaller på

Kulstof nanorør har vist lovende for alt fra mikroelektronik til luftfart til energilagring. Forskere tror, ​​at dette materiale en dag kan opfylde science fiction-drømmen om at skabe en elevator til rummet.

Så hvorfor bliver de ikke brugt oftere?

Kemiker Noe Alvarez fra University of Cincinnati sagde, at en hindring har været den frustrerende manglende evne til at forbinde kulstofnanorør til metaloverflader i en robust forbindelse til sensorer, transistorer og andre formål. Disse hule rør har en diameter på blot en milliardtedel meter, men kan være mange centimeter lange.

"Vi ønsker, at vores eksperimenter skal være reproducerbare og konsistente, men det er ikke let muligt med nanorør, fordi vi ikke kan kontrollere, hvor godt de er forbundet til metaloverflader," sagde han.

Men han og hans samarbejdspartnere har demonstreret en ny kemisk proces, der poder nanorør til metaloverflader for at skabe en stærk, konsistent, ledende forbindelse. Undersøgelsen blev publiceret i tidsskriftet Nanoscale Advances .

I tidligere gentagelser blev kulstofnanorør spredt i en opløsning for at lave, hvad Alvarez sammenligner med "våd spaghetti", der klæber til en metaloverflade.

"Men der er ingen robust forbindelse. Intet holder virkeligt nanorørene til overfladen," sagde han.

Så målinger af egenskaber såsom elektrisk ledningsevne var upræcise og inkonsekvente.

Alvarez og hans forskningspartnere ved Texas A&M University, ledet af professor i kemiingeniør Jorge Seminario, demonstrerede måder at binde nanorør kemisk til kobber, aluminium, guld og andre metaloverflader.

Alvarez og hans samarbejdspartnere modtog et tilskud på $720.000 fra National Science Foundation for at uddybe deres kemiske opdagelse i de næste tre år.

"Hvorfor ser vi ikke kulstofnanorør i udbredte kommercielle applikationer, selvom de har så meget potentiale? Vi har meget at finde ud af," sagde UC-doktorand og studielederforfatter Chaminda Nawarathne.

Alvarez og hans medforfattere opdagede gennem beregninger, at carbonatomer i den organiske forbindelse faktisk binder sig til to kobberatomer, hvilket skaber en særlig stærk binding.

"Det forklarer, hvorfor vores nanorør, når de er kemisk forbundet, forbliver forbundet," sagde Alvarez.

Carbon nanorør er notorisk stærke molekyler. Deres molekylære struktur skaber et elegant sekskantet gitter. "Carbonbindinger er de stærkeste bindinger. De er kovalente bindinger. Det er derfor diamant er det hårdeste materiale, fordi de er carbon-carbon-bindinger," sagde Alvarez.

Mens kulstofatomer i diamanter er enkeltbindinger, har kulstofnanorør konjugerede dobbeltbundne atomer, hvilket gør dem endnu stærkere end diamanter.

Kabler lavet af stærke, men lette kulstof nanorør er blevet forestillet til at skabe "rum elevatorer", der kunne færge udstyr i kredsløb, sagde Alvarez. En rumelevator blev afbildet i åbningsscenen til Brad Pitt-filmen "Ad Astra."

Men styrke er blot en af ​​deres unikke egenskaber.

Carbon nanorør bruges til at skabe det sorteste syntetiske materiale på Jorden. Alvarez sagde, at deres stærke bindinger med metal kunne føre til bedre maling og belægninger.

"Nanorør er ret inerte. De er meget stabile. Du kan konjugere dem uden at bryde deres bindinger. Halvledende nanorør har også fluorescensegenskaber - de kan generere lys," sagde Alvarez. "Så listen over applikationer fortsætter og fortsætter."

Nawarathne sagde, at han forfølger potentielle anvendelser inden for energilagring.

"Nu hvor vi kan binde kulstofnanorørene til en strømaftager eller metalsonde, kan vi lave meget stabile elektroder til superkondensatorer," sagde Nawarathne.

UC kemistuderende "dyrker" nanorør på siliciumskiver ved hjælp af en proces kaldet katalytisk kemisk dampaflejring i udstyr, der opvarmer reagenser og en jernkatalysator til 1.450°F.

"Den er rødglødende," sagde Alvarez og pegede på en genstand, der var synlig gennem et glasvindue i den ovnstore maskine. "Det er ligesom en bradepande. Katalysatoren går ind her."

Efter 45 minutter dukker et tyndt lag kulstofnanorør op på siliciumet. Derfra var forskere i stand til at elektrografte nanorørene på en række forskellige metaloverflader. Til at begynde med brugte de bundter af nanorør, men med raffinerede processer lært kan de forbinde vertikalt justerede nanorør.

"Det er som at prøve at forbinde uld tilbage til et får. Du har garn, der er blevet klippet fra fårene. Vi er i stand til at forbinde individuelle fibre tilbage til fåret kemisk," sagde han.

Flere oplysninger: Chaminda P. Nawarathne et al., Oprettelse af kovalente bindinger mellem Cu og C ved grænsefladen mellem metal/open-ended carbon nanorør, Nanoscale Advances (2023). DOI:10.1039/D3NA00500C

Leveret af University of Cincinnati