(Phys.org) -- Onderzoekers van Rice University en Penn State University hebben ontdekt dat het toevoegen van een scheutje boor aan koolstof tijdens het maken van nanobuisjes ze in vaste, sponsachtig, herbruikbare blokken die een verbazingwekkend vermogen hebben om in water gemorste olie te absorberen.

Dat is een van de vele mogelijke innovaties voor het materiaal dat in één stap is gemaakt. Het team ontdekte voor het eerst dat borium knikken en ellebogen in de nanobuisjes plaatst terwijl ze groeien en de vorming van covalente bindingen bevordert. die de sponzen hun robuuste eigenschappen geven.

De onderzoekers, die samenwerkte met collega's in laboratoria in het hele land en in Spanje, België en Japan, onthulden hun ontdekking in Nature's online open-access tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Hoofdauteur Daniel Hashim, een afgestudeerde student in het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan, zei dat de blokken beide superhydrofoob zijn (ze haten water, dus ze drijven heel goed) en oleofiel (ze houden van olie). De nanosponzen, die voor meer dan 99 procent uit lucht bestaan, geleiden ook elektriciteit en kunnen gemakkelijk worden gemanipuleerd met magneten.

Laten zien, Hashim liet de spons in een schaal met water vallen met gebruikte motorolie erop. De spons nam het op. Vervolgens zette hij een lucifer bij het materiaal, verbrandde de olie en plaatste de spons terug in het water om meer te absorberen. De robuuste spons kan herhaaldelijk worden gebruikt en is bestand tegen misbruik; hij zei dat een monster elastisch bleef na ongeveer 10, 000 compressies in het lab. De spons kan de olie ook opslaan om later terug te halen, hij zei.

“Deze samples kunnen behoorlijk groot worden gemaakt en zijn eenvoudig op te schalen, " zei Hashim, met een vierkant blok van een halve inch met miljarden nanobuisjes. "Ze hebben een superlage dichtheid, dus het beschikbare volume is groot. Daarom kan de opname van olie zo hoog zijn.” Hij zei dat de sponzen die in de krant worden beschreven meer dan honderd keer hun gewicht aan olie kunnen absorberen.

Ajayan, Rice's Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde, genoemde meerwandige koolstofnanobuisjes die op een substraat zijn gegroeid via chemische dampafzetting, staan ​​meestal rechtop zonder echte verbindingen met hun buren. Maar de door borium geïntroduceerde defecten zorgden ervoor dat de nanobuisjes zich op atomair niveau hechten, waardoor ze verstrikt raakten in een complex netwerk. Nanobuissponzen met olie-absorberend vermogen zijn eerder gemaakt, maar dit is de eerste keer dat de covalente verbindingen tussen nanobuisjes in dergelijke vaste stoffen overtuigend zijn aangetoond, hij zei.

“De interacties gebeuren naarmate ze groeien, en het materiaal komt uit de oven als een vaste stof, ' zei Ajayan. "Mensen hebben vaste stoffen van nanobuisjes gemaakt via verwerking na de groei, maar zonder goede covalente verbindingen. Het voordeel hierbij is dat het materiaal direct ontstaat tijdens de groei en eruit komt als een verknoopt poreus netwerk.

“Het is voor ons makkelijk om nanobouwstenen te maken, maar het was moeilijk om de macroschaal te bereiken, ' zei hij. “De nanobuisjes moeten met elkaar verbonden worden door een slimme manier om topologische defecten te creëren, of ze moeten aan elkaar worden gelast.”

Toen hij een student was van Ajayan aan het Rensselaer Polytechnic Institute, Hashim en zijn klasgenoten ontdekten hints voor een topologische oplossing voor het probleem tijdens hun deelname aan een uitwisselingsprogramma van de National Science Foundation aan het Institute of Scientific Research and Technology (IPICYT) in San Luis Potosí, Mexico. De co-auteur van het artikel, Mauricio Terrones, een professor in de natuurkunde, materiaalwetenschap en techniek aan de Penn State University met een aanstelling aan de Shinshu University, Japan, leidde daar een nanotechnologielab.

"Ons doel was om een ​​manier te vinden om driedimensionale netwerken van deze koolstofnanobuisjes te maken die een weefsel op macroschaal zouden vormen - een sponsachtig blok nanobuisjes dat groot en dik genoeg zou zijn om te worden gebruikt om olielozingen op te ruimen en om andere taken uit te voeren. , ' zei Terrones. "We realiseerden ons dat de truc het toevoegen van boor was - een chemisch element naast koolstof in het periodiek systeem - omdat boor helpt om de onderlinge verbindingen van het materiaal te activeren. Om het boor toe te voegen, we gebruikten zeer hoge temperaturen en we 'breiden' de stof vervolgens in het nanobuisje.'

De onderzoekers hebben hoge verwachtingen van de milieutoepassingen van het materiaal. “Voor olielozingen, je zou hiervan grote platen moeten maken of een manier moeten vinden om platen aan elkaar te lassen (een proces waaraan Hashim blijft werken), ' zei Ajayan.

"Het oplossen van olielekkages en het opruimen van het milieu zijn slechts het begin van hoe nuttig deze nieuwe nanobuismaterialen zouden kunnen zijn, ', voegde Terrones eraan toe. “Bijvoorbeeld, we zouden deze materialen kunnen gebruiken om efficiëntere en lichtere batterijen te maken. We kunnen ze gebruiken als steigers voor botweefselregeneratie. We zouden zelfs de nanobuisspons kunnen impregneren met polymeren om robuuste en lichte composieten te maken voor de auto- en vliegtuigindustrie.”

Hashim suggested his nanosponges may also work as membranes for filtration.

“I don’t think anybody has created anything like this before, ' zei Ajayan. “It’s a spectacular nanostructured sponge.”