(Phys.org) —Het idee van vezels gemaakt van koolstofnanobuisjes is leuk, maar wetenschappers van Rice University maken ze netjes - letterlijk.

De enkelwandige koolstofnanobuisjes in nieuwe vezels die bij Rice zijn gemaakt, komen overeen als een handvol ongekookte spaghetti via een proces dat is ontworpen door chemicus Angel Martí en zijn collega's.

Het lastige stukje, volgens Martí, wiens lab zijn resultaten deze maand in het tijdschrift rapporteerde ACS Nano , houdt de dicht opeengepakte nanobuisjes uit elkaar voordat ze tot een vezel worden samengetrokken.

Aan hun lot overgelaten, koolstofnanobuisjes vormen klonten die volkomen verkeerd zijn om te veranderen in het soort sterke, geleidende vezels die nodig zijn voor projecten variërend van elektronica op nanoschaal tot elektriciteitsnetten op macroschaal.

Eerder onderzoek bij Rice door scheikundige en chemisch ingenieur Matteo Pasquali, een co-auteur van het nieuwe artikel, gebruikte een zuuroplossingsproces om de nanobuisjes gescheiden te houden totdat ze tot vezels konden worden gesponnen. Nu Mart, Pasquali en hun collega's produceren "nette" vezels met hetzelfde mechanische proces, maar ze beginnen met een ander soort grondstof.

"Matteo's groep gebruikte chloorsulfonzuur om het oppervlak van de nanobuisjes te protoneren, "Zei Martí. "Dat zou ze een positief geladen oppervlak geven, zodat ze elkaar in oplossing zouden afstoten. De techniek die we gebruiken is precies het tegenovergestelde."

Een proces dat vorig jaar werd onthuld door Martí en hoofdauteurs Chengmin Jiang, een afgestudeerde student, en Avishek Saha, een Rijst-alumnus, begint met het negatief opladen van koolstofnanobuisjes door ze te infuseren met kalium, een metaal, en ze veranderen in een soort zout dat bekend staat als een polyelektrolyt. Vervolgens gebruiken ze kooiachtige kroonethers om de kaliumionen op te vangen die anders het vermogen van de nanobuisjes om elkaar af te stoten zouden dempen.

Stop genoeg nanobuisjes in zo'n oplossing en ze zitten gevangen tussen de afstotende krachten en het onvermogen om te bewegen in een drukke omgeving. zei Mart. Ze worden gedwongen om op één lijn te komen - een bepalende eigenschap van vloeibare kristallen - en dit maakt ze beter beheersbaar.

De buizen worden uiteindelijk samengeperst tot vezels wanneer ze door de punt van een naald worden geëxtrudeerd. Op dat punt, de sterke van der Waals-kracht neemt het over en bindt de nanobuisjes stevig aan elkaar, zei Mart.

Maar om macroscopische materialen te maken, het Martí-team moest veel meer nanobuisjes in de oplossing stoppen dan in eerdere experimenten. "Als je de concentratie begint te verhogen, het aantal nanobuisjes in de vloeibaar kristallijne fase wordt overvloediger dan die in de isotrope (ongeordende) fase, en dat is precies wat we nodig hadden, ' zei Mart.

De onderzoekers ontdekten dat ze van 40 milligram nanobuisjes per milliliter een dikke gel kregen na het mengen op hoge snelheid en het uitfilteren van de grote klonten die overbleven. "Het is als een centrifuge samen met een roterende trommel, "Zei Martí over de menginrichting. "Het produceert onconventionele krachten in de oplossing."

Door deze dichte nanobuis-gel door een smalle naaldachtige opening te voeren, produceerde een continue vezel op de apparatuur van het Pasquali-lab. De sterkte en stijfheid van de zuivere vezels kwamen ook in de buurt van die van de vezels die eerder werden geproduceerd met Pasquali's op zuur gebaseerde proces. "We hebben niets aan zijn systeem aangepast en het werkte perfect. ' zei Mart.

De haarbrede vezels kunnen worden geweven tot dikkere kabels, en het team onderzoekt manieren om hun elektrische eigenschappen te verbeteren door de nanobuisjes te dopen met jodide. "Het onderzoek is in principe analoog aan wat Matteo doet, " Martí zei. "We gebruikten zijn gereedschap, maar gaven het proces een draai met een andere voorbereiding, dus nu zijn we de eersten die nette vezels maken van pure koolstof nanobuiselektrolyten. Dat is heel cool."

Pasquali zei dat het spinsysteem werkte met weinig behoefte aan aanpassing omdat de opstelling verzegeld is. "De elektrolytoplossing van nanobuisjes kan worden beschermd tegen zuurstof en water, waardoor de nanobuisjes zouden zijn neergeslagen, " hij zei.

"Het blijkt dat dit geen showstopper is, omdat we willen dat de nanobuisjes neerslaan en aan elkaar blijven plakken zodra ze het verzegelde systeem via de naald verlaten. Het proces was niet moeilijk te controleren, aanpassen en opschalen zodra we de basiswetenschap doorgronden."