(Phys.org) — De gesloten strategie van een laboratorium van Rice University verandert negatief geladen koolstofnanobuizen in vloeibare kristallen die de aanmaak van vezels en films zouden kunnen verbeteren.

De laatste stap in de richting van het maken van macromaterialen uit microscopisch kleine nanobuisjes hangt af van kooiachtige kroonethers die kaliumkationen opvangen. Negatief geladen koolstofnanobuisjes associëren met kaliumkationen om hun elektrische neutraliteit te behouden. In werkelijkheid, de ethers helpen deze kationen van het oppervlak van de nanobuisjes te verwijderen, wat resulteert in een nettolading die helpt tegenwicht te bieden aan de elektrische van der Waals-aantrekkingskracht die normaal gesproken koolstofnanobuisjes in een onbruikbare klomp verandert.

Het proces door rijstchemicus Angel Martí, zijn studenten en collega's werd onthuld in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Koolstofnanobuisjes worden al lang gezien als een mogelijke basis voor ultrasterke, sterk geleidende vezels - een uitgangspunt dat werd bevestigd in recent werk van Rice-professor en co-auteur Matteo Pasquali - en de voorbereiding ervan was afhankelijk van het gebruik van een "superzuur, " chloorsulfonzuur, dat geeft de nanobuisjes een positieve lading en zorgt ervoor dat ze elkaar in een oplossing afstoten.

Martí en eerste auteurs Chengmin Jiang en Avishek Saha, beide afgestudeerde studenten aan Rice, besloten om de productie van nanobuisoplossingen vanuit een andere hoek te bekijken. "We zagen in de literatuur dat er een manier was om het tegenovergestelde te doen en het oppervlak van de nanobuisjes negatieve ladingen te geven, "Zei Martí. Het betrof het infuseren van enkelwandige koolstofnanobuisjes met alkalimetalen, in dit geval, potassium, en ze veranderen in een soort zout dat bekend staat als een polyelektrolyt. Door ze te mengen in een organisch oplosmiddel, dimethylsulfoxide (DMSO), dwong de negatief geladen nanobuisjes om wat kaliumionen af ​​te stoten en elkaar af te stoten, maar in concentraties die te laag zijn om tot vezels en films te extruderen.

Dat vergde de toevoeging van ethermoleculen die bekend staan ​​als 18-kroon-6 vanwege hun kroonachtige atomaire rangschikkingen. De kronen hebben een bijzondere honger naar kalium; ze strippen de resterende ionen van de wanden van de nanobuisjes en sekwestreren ze. De afstotende eigenschappen van de buisjes worden groter en laten meer nanobuisjes in een oplossing toe voordat Van der Waals ze dwingt te stollen.

Bij kritische massa, nanobuisjes die in oplossing zijn gesuspendeerd, raken de ruimte op en vormen een vloeibaar kristal, zei Mart. "Ze worden uitgelijnd wanneer ze zo druk worden in de oplossing dat ze niet dichter bij elkaar kunnen komen in een willekeurig uitgelijnde staat, " zei hij. "Elektrostatische afstoting voorkomt dat van der Waals-interacties het overnemen, dus nanobuisjes hebben geen andere keuze dan zichzelf uit te lijnen, vloeibare kristallen vormen."

Vloeibaar kristallijne nanobuisjes zijn essentieel voor de productie van sterke, geleidende vezel, zoals de vezel die wordt bereikt met superzure suspensies. Maar Martí zei dat negatief gaan betekent dat nanobuisjes gemakkelijker kunnen worden gefunctionaliseerd - dat wil zeggen, chemisch gewijzigd voor specifieke toepassingen.

"De negatieve ladingen op het oppervlak van de nanobuisjes laten chemische reacties toe die je niet kunt doen met superzuren, " zei Martí. "Je mag, bijvoorbeeld, in staat zijn om het oppervlak van de koolstofnanobuisjes te functionaliseren terwijl je vezels maakt. Je kunt nanobuisjes misschien verknopen om een ​​sterkere vezel te maken tijdens het extruderen ervan.

"We hebben het gevoel dat we een nieuwe speler op het gebied van koolstofnanotechnologie brengen, speciaal voor het maken van macroscopische materialen, " hij zei.