Net zoals velen van ons berusten in verstopte zoutvaatjes of het spitsuur, degenen die werken om de speciale eigenschappen van koolstofnanobuisjes te benutten, halen doorgaans hun schouders op wanneer deze kleinste cilinders tijdens de verwerking met water worden gevuld. Maar voor nanobuisbeoefenaars die hun Popeye-drempel hebben bereikt en "niet meer kunnen uitstaan, " het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een goedkope, snelle en effectieve strategie die op betrouwbare wijze de kwaliteit en consistentie van de materialen verbetert - belangrijk om ze effectief te gebruiken in toepassingen zoals nieuwe computertechnologieën.

Om te voorkomen dat de kernen van enkelwandige koolstofnanobuisjes worden gevuld met water of andere schadelijke stoffen, de NIST-onderzoekers adviseren om ze opzettelijk vooraf te vullen met een gewenste chemische stof met bekende eigenschappen. Als u deze stap neemt voordat u de materialen scheidt en verspreidt, meestal gedaan in water, levert een consistent uniforme verzameling nanobuisjes op. In kwantiteit en kwaliteit, de resultaten zijn superieur aan met water gevulde nanobuisjes, speciaal voor optische toepassingen zoals sensoren en fotodetectoren.

De aanpak opent een rechttoe rechtaan route voor het construeren van de eigenschappen van enkelwandige koolstofnanobuizen - opgerolde vellen koolstofatomen gerangschikt als kippengaas of honingraten - met verbeterde of nieuwe eigenschappen.

"Deze aanpak is zo eenvoudig, goedkoop en breed bruikbaar dat ik geen reden kan bedenken om het niet te gebruiken, " zei NIST chemisch ingenieur Jeffrey Fagan.

In hun proof-of-concept experimenten, het NIST-team voegde meer dan 20 verschillende verbindingen toe aan een assortiment enkelwandige koolstofnanobuizen met een binnendiameter die varieerde van meer dan 2 tot ongeveer 0,5 nanometer. Onder leiding van gastonderzoeker Jochen Campo, de wetenschappers testten hun strategie door koolwaterstoffen, alkanen genaamd, als vulstoffen te gebruiken.

de alkanen, waaronder bekende verbindingen als propaan en butaan, diende om de binnenkant van de nanobuisjes onreactief te maken. Met andere woorden, de met alkaan gevulde nanobuisjes gedroegen zich bijna alsof ze leeg waren - precies het doel van Campo, Fagan en collega's.

Vergeleken met nanobuisjes gevuld met water en mogelijk ionen, zuren en andere ongewenste chemicaliën die tijdens de verwerking worden aangetroffen, lege nanobuisjes hebben veel betere eigenschappen. Bijvoorbeeld, wanneer gestimuleerd door licht, lege koolstof nanobuisjes fluoresceren veel helderder en met scherpere signalen.

Nog, "spontane opname" van water of andere oplosmiddelen door de nanobuisjes tijdens de verwerking is een "endemisch maar vaak verwaarloosd fenomeen met sterke implicaties voor de ontwikkeling van nanobuistoepassingen, " schreef het NIST-team in een recent artikel in Horizonten op nanoschaal .

Misschien vanwege de extra kosten en moeite die nodig zijn om nanobuisjes uit te filteren en te verzamelen, onderzoekers hebben de neiging om gemengde batches van ongevulde (lege) en meestal gevulde enkelwandige koolstofnanobuisjes te tolereren. Het scheiden van ongevulde nanobuisjes van deze mengsels vereist dure ultracentrifuge-apparatuur en, zelfs dan, de opbrengst is slechts ongeveer 10 procent, schattingen van Campo.

"Als het je doel is om nanobuisjes te gebruiken voor elektronische circuits, bijvoorbeeld, of voor fluorescerende contrastmiddelen tegen kanker, dan heb je veel grotere hoeveelheden materialen nodig met een constante samenstelling en kwaliteit, " legde Campo uit, die deze toepassingen verkende tijdens een postdoctoraal onderzoek aan de Universiteit Antwerpen. "Deze specifieke behoefte inspireerde de ontwikkeling van de nieuwe voorvulmethode door de vraag te stellen:kunnen we in plaats daarvan wat passieve chemicaliën in de nanobuis doen om het water buiten te houden."

Vanaf de allereerste eenvoudige experimenten, het antwoord was ja. En de voordelen kunnen aanzienlijk zijn. Bij fluorescentie-experimenten, met alkaan gevulde nanobuisjes zenden signalen uit die twee tot drie keer sterker zijn dan die van met water gevulde nanobuisjes. De prestaties benaderden die van lege nanobuisjes - de gouden standaard voor deze vergelijkingen.

Net zo belangrijk, de door NIST ontwikkelde voorvulstrategie is controleerbaar, veelzijdig en gemakkelijk te integreren in bestaande methoden voor het verwerken van enkelwandige koolstofnanobuizen, volgens de onderzoekers.