Koolstof nanobuisjes zijn extreem licht, elektrisch sterk geleidend, en stabieler dan staal. Door hun unieke eigenschappen, ze zijn ideaal voor tal van toepassingen, inclusief ultralichte batterijen, hoogwaardige kunststoffen en medische implantaten. Echter, daten, het was voor de wetenschap en de industrie moeilijk om de buitengewone eigenschappen op nanoschaal om te zetten in functionele industriële toepassingen. De koolstofnanobuisjes zijn ofwel niet goed te combineren met andere materialen, of ze verliezen hun heilzame eigenschappen als ze eenmaal zijn gecombineerd. Wetenschappers van de werkgroep Functionele Nanomaterialen van de Universiteit van Kiel (CAU) en de Universiteit van Trento hebben nu een alternatieve methode ontwikkeld, waarmee de minuscule buisjes gecombineerd kunnen worden met andere materialen zodat ze hun karakteristieke eigenschappen behouden. De onderzoeksresultaten zijn nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Hoewel koolstofnanobuisjes flexibel zijn zoals vezelstrengen, ze zijn ook erg gevoelig voor veranderingen, " verklaarde professor Rainer Adelung, hoofd van de werkgroep Functionele Nanomaterialen van de CAU. "Met eerdere pogingen om ze chemisch te verbinden met andere materialen, hun moleculaire structuur veranderde ook. Dit, echter, maakte hun eigenschappen verslechteren-meestal drastisch."

In tegenstelling tot, de aanpak van het onderzoeksteam uit Kiel en Trento is gebaseerd op een eenvoudig nat chemisch infiltratieproces. De CNT's worden gemengd met water en gedruppeld in een extreem poreus keramisch materiaal gemaakt van zinkoxide, die de vloeistof als een spons opneemt. De druipende draadachtige CNT's hechten zich vast aan de keramische steiger, en vormen samen automatisch een stabiele laag. De keramische steiger is gecoat met nanobuisjes. Dit heeft fascinerende effecten, zowel voor de steigers als voor het coaten van nanobuisjes.

Aan de ene kant, de stabiliteit van de keramische steiger neemt zo enorm toe dat deze 100 kan dragen, 000 keer zijn eigen gewicht. "Met de CNT-coating, het keramische materiaal kan ongeveer 7,5 kg dragen, en zonder dat slechts 50 g - alsof we het hadden voorzien van een nauwsluitende trui gemaakt van koolstofnanobuisjes, die mechanische ondersteuning bieden, " zei eerste auteur Fabian Schütt. "De druk op het materiaal wordt geabsorbeerd door de treksterkte van het CNT-vilt. Drukkrachten worden omgezet in trekkrachten."

Het principe is vergelijkbaar met bamboe gebouwen die wijdverbreid zijn in Azië. Bamboestelen zijn zo strak gebonden met een eenvoudig touw dat het lichtgewicht materiaal een uiterst stabiele steiger kan vormen, en zelfs hele gebouwen. "We doen hetzelfde op nanoschaal met de CNT-threads, die zich om het keramische materiaal wikkelen - alleen veel, veel kleiner, " zei Helge Krüger, co-auteur van de publicatie.

De materiaalwetenschappers konden nog een groot voordeel van hun proces aantonen. In een tweede stap, ze losten de keramische steiger op door middel van een chemisch etsproces. Het enige dat overblijft is een fijn 3D netwerk van buizen, die elk bestaan ​​uit een laag kleine CNT-buisjes. Op deze manier, konden de onderzoekers het oppervlak flink vergroten, en zo meer mogelijkheden voor reacties te creëren. "We verpakken in feite het oppervlak van een heel beachvolleybalveld in een kubus van één centimeter, ", legt Schütt uit. De enorme holle ruimtes in de driedimensionale structuur kunnen dan worden opgevuld met een polymeer. CNT's kunnen mechanisch worden verbonden met kunststoffen, zonder hun moleculaire structuur en dus hun eigenschappen te wijzigen. "We kunnen specifiek de CNT's regelen en een elektrisch geleidend composietmateriaal vervaardigen. Hiervoor is slechts een fractie van de gebruikelijke hoeveelheid CNT's nodig, om dezelfde geleidbaarheid te bereiken, ’ zei Schütt.

Toepassingen zijn onder meer batterij- en filtertechnologie als vulmateriaal voor geleidende kunststoffen, implantaten voor regeneratieve geneeskunde, en sensoren en elektronische componenten op nanoschaal. De hoge elektrische geleidbaarheid van het scheurvaste materiaal kan ook interessant zijn voor flexibele elektronicatoepassingen, in functionele kleding of op het gebied van medische technologie, bijvoorbeeld. "Een plastic maken dat, bijvoorbeeld, stimuleert de groei van bot- of hartcellen is denkbaar, " zei Adelung. Door zijn eenvoud, de wetenschappers zijn het erover eens dat het proces ook kan worden overgedragen naar netwerkstructuren gemaakt van andere nanomaterialen - wat het scala aan mogelijke toepassingen verder zal uitbreiden.