(Phys.org) -- Een koolstofnanobuisspons die olie in water kan opnemen met een ongeëvenaarde efficiëntie is ontwikkeld met behulp van computersimulaties die zijn uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy (DOE's).

Koolstof nanobuisjes, die bestaan ​​uit atoomdikke vellen koolstof die in cilinders zijn gerold, hebben de afgelopen decennia de wetenschappelijke aandacht getrokken vanwege hun hoge sterkte, potentiële hoge geleidbaarheid en lichtgewicht. Maar het produceren van nanobuisjes in bulk voor gespecialiseerde toepassingen werd vaak beperkt door problemen bij het beheersen van het groeiproces en het dispergeren en sorteren van de geproduceerde nanobuisjes.

Bobby Sumpter van ORNL maakte deel uit van een multi-institutioneel onderzoeksteam dat grote klompen nanobuisjes wilde laten groeien door selectief booratomen te vervangen in het anders zuivere koolstofrooster. Sumpter en Vincent Meunier, nu van het Rensselaer Polytechnisch Instituut, simulaties uitgevoerd op supercomputers, waaronder Jaguar bij ORNL's Leadership Computing Facility, om te begrijpen hoe de toevoeging van boor de structuur van koolstofnanobuisjes zou beïnvloeden.

"Elke keer dat je een ander atoom in het hexagonale koolstofrooster plaatst, wat een kippengaasachtig netwerk is, je verstoort dat netwerk omdat die atomen niet per se deel willen uitmaken van de kippengaasstructuur, Sumpter zei. "Boron heeft een ander aantal valentie-elektronen, wat resulteert in krommingsveranderingen die een ander type groei veroorzaken."

Simulaties en laboratoriumexperimenten toonden aan dat de toevoeging van booratomen de vorming van zogenaamde "elleboog"-juncties aanmoedigde die de nanobuisjes helpen uitgroeien tot een 3D-netwerk. De resultaten van het team zijn gepubliceerd in Nature Wetenschappelijke rapporten .

"In plaats van een woud van rechte buizen, je creëert een onderling verbonden, geweven sponsachtig materiaal, "Zei Sumpter. "Omdat het met elkaar verbonden is, het wordt driedimensionaal sterk, in plaats van alleen eendimensionaal sterk langs de buisas."

Verdere experimenten toonden het materiaal van het team, die zichtbaar is voor het menselijk oog, is uiterst efficiënt in het absorberen van olie in verontreinigd zeewater omdat het olie aantrekt en water afstoot.

"Het houdt van koolstof omdat het voornamelijk koolstof is, "Sumpter zei. "Afhankelijk van de dichtheid van olie tot watergehalte en de dichtheid van het sponsnetwerk, het zal tot 100 keer zijn gewicht aan olie absorberen."

De mechanische flexibiliteit van het materiaal, magnetische eigenschappen, en kracht geven het extra aantrekkingskracht als een potentiële technologie om te helpen bij het opruimen van olievlekken, zegt Supper.

"Je kunt het materiaal keer op keer hergebruiken omdat het zo robuust is, " zei hij. "Het verbranden ervan vermindert zijn vermogen om olie te absorberen niet aanzienlijk, en het uitknijpen als een spons beschadigt het ook niet."

De magnetische eigenschappen van het materiaal, veroorzaakt door het gebruik van een ijzerkatalysator door het team tijdens het groeiproces van nanobuisjes, betekent dat het gemakkelijk kan worden bediend of verwijderd met een magneet in een scenario voor het opruimen van olie. Dit vermogen is een verbetering ten opzichte van bestaande stoffen die worden gebruikt bij het verwijderen van olie, die na het opruimen vaak achterblijven en het milieu kunnen aantasten.

Het experimentele team heeft via Rice University een patentaanvraag ingediend op de technologie. Het onderzoek is gepubliceerd als "Covalent gebonden driedimensionale koolstofnanobuisjes via boorgeïnduceerde nanojuncties, " en is online beschikbaar.