(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van Rice University hebben vandaag een methode onthuld voor de verwerking op industriële schaal van zuivere koolstof-nanobuisvezels die zou kunnen leiden tot revolutionaire vooruitgang in de materiaalwetenschap, energiedistributie en nano-elektronica. Het resultaat van een negenjarig programma, de methode bouwt voort op beproefde processen die chemische bedrijven al tientallen jaren gebruiken om kunststoffen te produceren. Het onderzoek is online beschikbaar in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Plastics is een industrie van $ 300 miljard in de VS vanwege de enorme doorvoer die mogelijk is met vloeibare verwerking, " zei Matteo Pasquali van Rice, een paper co-auteur en professor in chemische en biomoleculaire engineering en in de chemie. "De reden waarom supermarkten plastic zakken gebruiken in plaats van papier en de reden waarom polyester overhemden goedkoper zijn dan katoen, is dat polymeren kunnen worden gesmolten of opgelost en als vloeistoffen kunnen worden verwerkt door de trein-autolading. Het verwerken van nanobuisjes als vloeistoffen opent alle vloeistof- verwerkingstechnologie die is ontwikkeld voor polymeren."

Het rapport is mede-auteur van een 18-koppig team van wetenschappers van Rice's Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, de Universiteit van Pennsylvania en het Technion-Israel Institute of Technology. Co-auteurs zijn onder meer Rick Smalley, naamgenoot van Smalley Institute, de overleden Nobelprijswinnaar chemicus die de eerste high-throughput-methode ontwikkelde voor het produceren van hoogwaardige koolstofnanobuisjes, evenals Virginia Davis, een voormalige doctoraatsstudent van Pasquali en Smalley die nu professor is aan de Auburn University, en Micha Groen, een voormalig postdoctoraal onderzoeker van Pasquali die nu professor is aan de Texas Tech University.

Het nieuwe proces bouwt voort op de ontdekking van Rice in 2003 van een manier om grote hoeveelheden zuivere nanobuisjes op te lossen in sterk zure oplosmiddelen zoals zwavelzuur. Het onderzoeksteam ontdekte vervolgens dat nanobuisjes in deze oplossingen zichzelf uitlijnden, als spaghetti in een pakje, om vloeibare kristallen te vormen die kunnen worden gesponnen tot monofilamentvezels ter grootte van een mensenhaar.

"Dat onderzoek bracht een industrieel relevant proces voor nanobuisjes tot stand dat analoog was aan de methoden die werden gebruikt om Kevlar te maken van staafachtige polymeren, behalve dat het zuur geen echt oplosmiddel is, " zei Wade Adams, directeur van het Smalley Institute en co-auteur van het nieuwe artikel. "Het huidige onderzoek toont aan dat we een echt oplosmiddel voor nanobuisjes hebben - chloorsulfonzuur - en dat is wat we wilden vinden toen we negen jaar geleden met dit project begonnen."

Na de doorbraak in 2003 met zure oplosmiddelen, het team bestudeerde methodisch hoe nanobuisjes zich gedroegen in verschillende soorten en concentraties van zuren. Door het gedrag van nanobuisjes in zuren te vergelijken en te contrasteren met de literatuur over polymeren en staafachtige colloïden, het team ontwikkelde zowel de theoretische als praktische hulpmiddelen die chemische bedrijven nodig hebben om nanobuisjes in bulk te verwerken.

"Ishi Talmon en zijn collega's bij Technion deden het cruciale werk dat nodig was om direct bewijs te krijgen dat nanobuisjes spontaan oplosten in chloorsulfonzuur, " zei Pasquali. "Om dit te doen, ze moesten nieuwe experimentele technieken ontwikkelen voor directe beeldvorming van verglaasde snelgevroren zuuroplossingen."

Talmon zei, "Dit was een zeer moeilijke studie. Matteo's team moest niet alleen nieuwe experimentele technieken pionieren om dit te bereiken, ze moesten ook belangrijke uitbreidingen maken van de klassieke theorieën die werden gebruikt om oplossingen van staven te beschrijven. Het Technion-team moest een nieuwe methodologie ontwikkelen om ons in staat te stellen afbeeldingen met hoge resolutie te maken van de nanobuisjes gedispergeerd in chloorsulfonzuur, een zeer corrosieve vloeistof, door state-of-the-art elektronenmicroscopie bij cryogene temperaturen."

Co-auteur Nicholas Parra-Vasquez, een afgestudeerde Rice-student geadviseerd door Pasquali die nu in Frankrijk werkt, zei, "Als ik naar het project kijk toen ik begon, Ik had geen idee waar het zou eindigen en hoeveel werk er moest gebeuren. Het project omvatte veel studenten en professoren, en samenwerkingen met andere scholen. Daarom, het was een langzaam proces, maar het liet geen enkele mogelijkheid onbenut. Kijk er nu naar, Ik kan niet geloven hoe groot het is geworden -- hoeveel moeite is er in elk gevonden punt gestoken."

Weinig technologische doorbraken zijn zo gehyped als koolstofnanobuisjes. Sinds hun ontdekking in 1991, nanobuisjes zijn aangeprezen als alles, van een remedie voor kanker tot een oplossing voor de energiecrisis in de wereld. De hype is des te opmerkelijker aangezien nanobuisjes notoir moeilijk zijn om mee te werken en chemici wereldwijd jarenlang hebben geworsteld om ze zelfs maar te maken.

Dus waarom de hype? Simpel gezegd, koolstof nanobuisjes zijn opmerkelijk. Hoewel ze ongeveer dezelfde grootte en vorm hebben als sommige staafachtige polymeermoleculen, nanobuisjes kunnen zowel elektriciteit als koper geleiden, en ze kunnen metalen of halfgeleiders zijn. Ze kunnen worden gelabeld met antilichamen om ziekten te diagnosticeren of worden verwarmd met radiogolven om kanker te vernietigen. Ze zijn gebruikt om transistors veel kleiner te maken dan die in de beste microchips van vandaag. Nanobuisjes wegen ook ongeveer een zesde zoveel als staal, maar kunnen tot 100 keer sterker zijn.

"Kevlar, de polymeervezel die wordt gebruikt in kogelvrije vesten, is ongeveer vijf tot tien keer sterker dan onze sterkste nanobuisvezels van vandaag, maar in principe zouden we onze vezels ongeveer 100 keer sterker moeten kunnen maken, "Zei Pasquali. "Als we zelfs 20 procent van ons potentieel kunnen realiseren, we zullen een geweldig materiaal hebben, misschien wel de sterkste die ooit is gekend.

"De elektrische geleidbaarheid is al behoorlijk goed, "zei hij. "Het is ongeveer hetzelfde van de best geleidende koolstof-koolstofvezels, en dat zou 200 keer verbeterd kunnen worden als er betere productiemethoden voor metalen nanobuisjes kunnen worden gevonden."

Het nieuwe onderzoek verschijnt net op het moment dat het Smalley Institute zich voorbereidt op een 10-jarig jubileumfeest op 5 november van de oprichting van Smalley's "HiPco" -reactor, het eerste systeem dat in staat is om hoogwaardige nanobuisjes in bulk te produceren. Hallo, afkorting voor hogedruk koolmonoxideproces, brak de blokkade bij de productie van nanobuisjes en maakte de weg vrij voor meer wetenschappelijk onderzoek en voor de industrie om ze in sommige materialen te gaan gebruiken. Industriële nanobuisreactoren genereren tegenwoordig meerdere tonnen koolstofnanobuisjes van lage kwaliteit per jaar, en de wereldwijde markt voor nanobuisjes zal naar verwachting de komende tien jaar jaarlijks meer dan $ 2 miljard bedragen.

Maar er moet nog een definitieve doorbraak komen voordat het echte potentieel van hoogwaardige koolstofnanobuisjes kan worden gerealiseerd. Dat komt omdat HiPco en alle andere methoden om high-end, "enkelwandige" nanobuisjes genereren een mengelmoes van nanobuisjes met verschillende diameters, lengtes en moleculaire structuren. Wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar een proces dat slechts één soort nanobuis in bulk zal genereren, zoals de best geleidende metaalsoorten, bijvoorbeeld.

"Een goede zaak van het proces dat we nu hebben, is dat als iemand ons één gram pure metalen nanobuisjes zou kunnen geven, we zouden ze binnen een paar dagen een gram vezels kunnen geven, ' zei Pasquali.

Bron:Rice University (nieuws:web)