Lebih sederhana, lebih cepat, dan lebih murah: Pendekatan pengisian penuh untuk membuat karbon nanotube dengan kualitas yang konsisten

Anonim

Sama seperti banyak dari kita mungkin mengundurkan diri untuk tersumbat garam atau lalu lintas jam sibuk, mereka yang bekerja untuk mengeksploitasi sifat khusus karbon nanotube biasanya mengangkat bahunya ketika ini silinder terkecil isi dengan air selama pemrosesan. Tetapi bagi para praktisi nanotube yang telah mencapai ambang Popeye mereka dan "tidak bisa berdiri tidak lebih, " Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) telah merancang strategi yang murah, cepat dan efektif yang secara andal meningkatkan kualitas dan konsistensi bahan-bahan— penting untuk menggunakannya secara efektif dalam aplikasi seperti teknologi komputasi baru.

Untuk mencegah pengisian inti dari karbon nanotube satu-dinding dengan air atau zat-zat berbahaya lainnya, para peneliti NIST menyarankan untuk secara sengaja memenuhi mereka dengan bahan kimia yang diinginkan dari sifat-sifat yang diketahui. Mengambil langkah ini sebelum memisahkan dan menyebarkan bahan, biasanya dilakukan dalam air, menghasilkan koleksi seragam nanotube secara konsisten. Dalam kuantitas dan kualitas, hasilnya lebih unggul daripada nanotube yang diisi air, terutama untuk aplikasi optik seperti sensor dan photodetectors.

Pendekatan ini membuka jalur langsung untuk rekayasa sifat-sifat karbon nanotube tabung tunggal — lembaran karbon atom yang digulung yang disusun seperti kawat ayam atau sisir madu — dengan sifat yang ditingkatkan atau baru.

"Pendekatan ini sangat mudah, murah dan sangat berguna sehingga saya tidak bisa memikirkan alasan untuk tidak menggunakannya, " kata insinyur kimia NIST Jeffrey Fagan.

Dalam percobaan proof-of-concept mereka, tim NIST memasukkan lebih dari 20 senyawa yang berbeda ke dalam bermacam-macam nanotube karbon dinding tunggal dengan diameter interior yang berkisar dari lebih dari 2 hingga sekitar 0, 5 nanometer. Dipimpin oleh peneliti tamu Jochen Campo, para ilmuwan menguji strategi mereka dengan menggunakan hidrokarbon yang disebut alkana sebagai pengisi.

Alkana, yang termasuk senyawa yang dikenal seperti propana dan butana, disajikan untuk membuat interior nanotube tidak reaktif. Dengan kata lain, nanotube penuh alkane berperilaku hampir seolah-olah kosong — tepatnya tujuan dari Campo, Fagan, dan rekan.

Dibandingkan dengan nanotube diisi dengan air dan mungkin ion, asam dan bahan kimia yang tidak diinginkan lainnya yang ditemui selama pemrosesan, nanotube kosong memiliki sifat jauh lebih unggul. Misalnya, ketika dirangsang oleh cahaya, nanotube karbon kosong berpendar jauh lebih terang dan dengan sinyal yang lebih tajam.

Namun, "menelan secara spontan" air atau pelarut lain oleh nanotube selama pemrosesan adalah "fenomena endemik tetapi sering diabaikan dengan implikasi kuat untuk pengembangan aplikasi nanotube, " tim NIST menulis dalam artikel baru-baru ini di Nanoscale Horizons.

Mungkin karena biaya tambahan dan upaya yang diperlukan untuk menyaring dan mengumpulkan nanotube, para peneliti cenderung mentolerir batch campuran terisi karbon nanotube satu-dinding (kosong) dan sebagian besar diisi. Memisahkan nanotube yang tidak terisi dari campuran ini membutuhkan peralatan ultrasentrifuge yang mahal dan, bahkan, hasilnya hanya sekitar 10 persen, perkiraan Campo.

"Jika tujuan Anda adalah menggunakan nanotube untuk sirkuit elektronik, misalnya, atau untuk agen kontras gambar anti kanker neon, maka Anda membutuhkan jumlah bahan yang jauh lebih besar dari komposisi dan kualitas yang konsisten, " Campo menjelaskan, yang menjelajahi aplikasi ini sambil melakukan penelitian postdoctoral di University of Antwerp. "Kebutuhan khusus ini mengilhami pengembangan metode prefilled baru dengan mengajukan pertanyaan, dapatkah kita memasukkan beberapa bahan kimia pasif ke dalam nanotube sebagai pengganti untuk menjaga air keluar."

Dari percobaan sederhana pertama, jawabannya adalah ya. Dan manfaatnya bisa signifikan. Dalam percobaan fluoresensi, nanotube yang terisi alkana memancarkan sinyal dua sampai tiga kali lebih kuat daripada yang dipancarkan oleh nanotube yang diisi air. Kinerja mendekati bahwa nanotube kosong — standar emas untuk perbandingan ini.

Yang penting, strategi prefiks yang dikembangkan NIST dapat dikontrol, serbaguna dan mudah dimasukkan ke dalam metode yang ada untuk memproses karbon nanotube satu-dinding, menurut para peneliti.

menu
menu