(PhysOrg.com) -- Een team van nanotechnologieonderzoekers van de Universiteit van Maryland heeft een van de meest irritante uitdagingen opgelost die het gebruik van koolstofnanomaterialen voor een betere opslag van elektrische energie of het verbeteren van de fluorescentiedetectiemogelijkheden van biosensoren belemmeren. De bevindingen zijn gepubliceerd in het nummer van 12 juli van: Natuurcommunicatie .

Het baanbrekende onderzoek werd geleid door professor Yu Huang Wang van het Department of Chemistry and Biochemistry en uitgevoerd in het Nanostructures for Electrical Energy Storage Center van de universiteit (een Energy Frontier Research Center van het Department of Energy), Noordwestelijke Universiteit, en het Maryland NanoCenter.

Van koolstofnanobuisjes (CNT's) wordt erkend dat ze een enorm potentieel hebben. Het zijn enkele van de meest geleidende structuren die ooit zijn gemaakt - zeer efficiënte elektroden met een enorm oppervlak. Om optimaal te profiteren van deze eigenschappen, echter, CNT's moeten oplosbaar zijn, dat wil zeggen, hebben het vermogen om in een vloeibare omgeving te worden gedispergeerd of om een ​​vast composietmateriaal gelijkmatig te coaten. Helaas, in hun ruwe staat zijn CNT's onoplosbaar; ze klonteren samen in plaats van te verspreiden.

Al meer dan een decennium, onderzoekers hebben nieuwe chemische processen ontwikkeld om deze uitdaging aan te gaan. Een idee was om permanente defecten op de oppervlakken van CNT's te creëren en ze te "functionaliseren" zodat ze oplosbaar zijn. Helaas, dit heeft ook het ongewenste neveneffect van het snel vernietigen van de elektrische en optische eigenschappen van de CNT's.

Wang en zijn team hebben een nieuw functionaliseringsproces voor CNT's ontwikkeld dat oplosbaarheid oplevert en elektrische en optische eigenschappen behoudt. Ze functionaliseren defecten op de buizen doelbewust op nuttige, niet willekeurige plaatsen, het creëren van strategische "functionele groepen". Deze zorgvuldig geplaatste moleculaire groepen zorgen ervoor dat CNT's gemakkelijk kunnen worden verspreid met behoud van hun optische eigenschappen en het vermogen om elektrische stroom in grote gebieden langs de buis te geleiden.

De uitdaging was om de chemische reacties te controleren die de functionele groepen op de CNT's produceren. Door gebruik te maken van een chemisch proces genaamd Billups-Birch reductieve alkylcarboxylering, Wang's team ontdekte dat ze op een gecontroleerde manier geleidelijk nieuwe functionele groepen aan de CNT-muur konden toevoegen zonder onbedoelde nieuwe defecten te introduceren.

Wanneer de CNT's gedurende een bepaalde tijd in een chemische oplossing worden ondergedompeld, de gefunctionaliseerde groepen op de nanobuisjes worden met een voorspelbare hoeveelheid langer. Elke keer dat het proces wordt herhaald, of naarmate de tijd in de oplossing toeneemt, de secties worden langer. Wanneer de CNT's worden bekeken onder een speciale, hoge vergrotingselektronenmicroscoop, het is duidelijk dat de functionalisering in de lengte langs de buis is gevorderd.

De voortplanting kan beginnen door natuurlijk voorkomende of opzettelijk geïntroduceerde defecten. Omdat het voortplantingsmechanisme de reactie beperkt en strategisch controleert waar de functionele groepen groeien, Wang's team kan geclusterde functionele groepen produceren op een gecontroleerde, constante voortplantingssnelheid. Het is het eerste duidelijk vastgestelde natchemische proces dat dit doet.

De doorbraak maakt het mogelijk om nieuwe functionele structuren te creëren, zoals "banded" nanobuisjes met afwisselende segmenten van gefunctionaliseerde en intacte regio's. De gefunctionaliseerde regio's zorgen ervoor dat de CNT's niet klonteren, waardoor ze een van de meest in water oplosbare CNT's zijn die bekend zijn. Tegelijkertijd, de banden van intact, niet-gefunctionaliseerde gebieden van de CNT's zorgen ervoor dat elektrische en optische eigenschappen behouden blijven.

"Dit is belangrijk voor het toekomstige gebruik van deze materialen in batterijen en zonnecellen, waar wordt gestreefd naar efficiënte inzameling en transport van lading, " legt Wang uit. "Deze CNT's kunnen ook worden gebruikt als zeer gevoelige biochemische sensoren vanwege hun scherpe optische absorptie en langlevende fluorescentie in de nabije infraroodgebieden waar weefsels bijna optisch transparant zijn."

"Dit is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van de gecontroleerde nanostructuren die nodig zijn om de elektrochemische wetenschap en de waarde ervan voor energieoplossingen te begrijpen, " zegt de directeur van het NanoCenter van de Universiteit van Maryland, Professor Gary Rubloff, een medewerker aan het project.