Natriumcarbonaat, tafel zout, en wasmiddel zijn verrassend effectieve ingrediënten voor het koken van koolstofnanobuisjes, onderzoekers van MIT hebben gevonden.

In een onderzoek dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd: Angewandte Chemie , het team meldt dat natriumbevattende verbindingen die in gewone huishoudelijke ingrediënten worden aangetroffen, de groei van koolstofnanobuisjes kunnen katalyseren, of CNT's, bij veel lagere temperaturen dan traditionele katalysatoren vereisen.

De onderzoekers zeggen dat natrium het mogelijk maakt dat koolstofnanobuisjes worden gekweekt op een groot aantal materialen met een lagere temperatuur, zoals polymeren, die normaal smelten onder de hoge temperaturen die nodig zijn voor traditionele CNT-groei.

"In lucht- en ruimtevaartcomposieten, er zijn veel polymeren die koolstofvezels bij elkaar houden, en nu kunnen we misschien rechtstreeks CNT's laten groeien op polymeermaterialen, sterker maken, harder, stijvere composieten, " zegt Richard Li, de hoofdauteur van de studie en een afgestudeerde student aan de afdeling Lucht- en ruimtevaart van het MIT. "Het gebruik van natrium als katalysator ontgrendelt echt het soort oppervlakken waarop je nanobuisjes kunt laten groeien."

Li's MIT co-auteurs zijn postdocs Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan, en Kehang Cui; alumni Akira Kudo Ph.D. '16, Andreas Liotta '16, en Ananth Govind Rajan SM '16, doctoraat '19; hoogleraar chemische technologie Michael Strano, en hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart Brian Wardle, samen met medewerkers van het National Institute of Standards and Technology en Harvard University.

Uien pellen

Onder een microscoop, koolstof nanobuisjes lijken op holle cilinders van kippengaas. Elke buis is gemaakt van een opgerold rooster van zeshoekige koolstofatomen. De binding tussen koolstofatomen is buitengewoon sterk, en wanneer gevormd in een rooster, zoals grafeen, of als een buis, zoals een CNT, dergelijke constructies kunnen een uitzonderlijke stijfheid en sterkte hebben, evenals unieke elektrische en chemische eigenschappen. Als zodanig, onderzoekers hebben onderzoek gedaan naar het coaten van verschillende oppervlakken met CNT's om sterkere, stijver, hardere materialen.

Onderzoekers kweken typisch CNT's op verschillende materialen via een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. Een interessant materiaal, zoals koolstofvezels, wordt gecoat in een katalysator - meestal een verbinding op ijzerbasis - en in een oven geplaatst, waardoor kooldioxide en andere koolstofhoudende gassen stromen. Bij temperaturen tot 800 graden Celsius, het ijzer begint koolstofatomen uit het gas te trekken, die glom op de ijzeratomen en op elkaar, uiteindelijk vormen verticale buizen van koolstofatomen rond individuele koolstofvezels. Onderzoekers gebruiken vervolgens verschillende technieken om de katalysator op te lossen, pure koolstof nanobuisjes achterlatend.

Li en zijn collega's experimenteerden met manieren om CNT's op verschillende oppervlakken te laten groeien door ze te coaten met verschillende oplossingen van ijzerbevattende verbindingen, toen het team merkte dat de resulterende koolstofnanobuisjes er anders uitzagen dan ze hadden verwacht.

"De buizen zagen er een beetje raar uit, en Rich en het team pelden de ui voorzichtig terug, als het ware, en het blijkt een kleine hoeveelheid natrium te zijn, waarvan we vermoedden dat het inactief was, veroorzaakte eigenlijk alle groei, ' zegt Ward.

Natriumknoppen afstemmen

Voor het grootste gedeelte, ijzer is de traditionele katalysator geweest voor het kweken van CNT's. Wardle zegt dat dit de eerste keer is dat onderzoekers hebben gezien dat natrium een ​​soortgelijk effect heeft.

"Natrium en andere alkalimetalen zijn niet onderzocht voor CNT-katalyse, ' zegt Wardle. 'Dit werk heeft ons naar een ander deel van het periodiek systeem geleid.'

Om er zeker van te zijn dat hun eerste observatie niet zomaar een toevalstreffer was, het team testte een reeks natriumbevattende verbindingen. Ze experimenteerden aanvankelijk met natrium van commerciële kwaliteit, in de vorm van bakpoeder, tafel zout, en wasmiddelkorrels, die ze kregen van de campussupermarkt. Eventueel, echter, ze zijn geüpgraded naar gezuiverde versies van die verbindingen, die ze oplossen in water. Vervolgens dompelden ze een koolstofvezel onder in de oplossing van elke verbinding, coating van het hele oppervlak in natrium. Eindelijk, ze plaatsten het materiaal in een oven en voerden de typische stappen uit die betrokken zijn bij het chemische dampafzettingsproces om CNT's te laten groeien.

In het algemeen, dat vonden ze, terwijl ijzerkatalysatoren koolstofnanobuisjes vormen bij ongeveer 800 graden Celsius, de natriumkatalysatoren konden korte, dichte bossen van CNT's bij veel lagere temperaturen, van ongeveer 480 C. Wat meer is, nadat oppervlakken ongeveer 15 tot 30 minuten in de oven hebben doorgebracht, het natrium verdampte eenvoudigweg, holle koolstof nanobuisjes achterlatend.

"Een groot deel van het CNT-onderzoek gaat niet over het kweken ervan, maar door ze schoon te maken — de verschillende metalen te krijgen die worden gebruikt om ze uit het product te laten groeien, "zegt Wardle. "Het leuke aan natrium is, we kunnen het gewoon verwarmen en wegdoen, en krijg pure CNT als product, wat je niet kunt doen met traditionele katalysatoren."

Li zegt dat toekomstig werk zich kan richten op het verbeteren van de kwaliteit van CNT's die worden gekweekt met behulp van natriumkatalysatoren. De onderzoekers merkten op dat terwijl natrium in staat was om bossen van koolstofnanobuisjes te genereren, de wanden van de buizen waren niet perfect uitgelijnd in perfect hexagonale patronen - kristalachtige configuraties die CNT's hun karakteristieke sterkte geven. Li is van plan om "verschillende knoppen af ​​te stemmen" in het CVD-proces, het veranderen van het tijdstip, temperatuur, en omgevingsomstandigheden, om de kwaliteit van met natrium gekweekte CNT's te verbeteren.

"Er zijn zoveel variabelen waar je nog mee kunt spelen, en natrium kan nog steeds vrij goed concurreren met traditionele katalysatoren, " zegt Li. "We anticiperen met natrium, het is mogelijk om in de toekomst buizen van hoge kwaliteit te krijgen. En we hebben er vrij veel vertrouwen in dat, zelfs als u gewoon Arm and Hammer-bakpoeder zou gebruiken, het zou moeten werken."

Voor Shigeo Maruyama, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Tokyo, het vermogen om CNT's te bereiden uit zo'n alledaags ingrediënt als natrium, zou nieuwe inzichten moeten opleveren in de manier waarop de uitzonderlijk sterke materialen groeien.

"Het is een verrassing dat we koolstofnanobuisjes kunnen kweken uit keukenzout!" zegt Maruyama, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Hoewel chemische dampafzetting (CVD) groei van koolstofnanobuisjes al meer dan 20 jaar wordt bestudeerd, niemand heeft geprobeerd alkalimetaal als katalysator te gebruiken. Dit zal een geweldige hint zijn voor het volledig nieuwe begrip van het groeimechanisme van koolstofnanobuisjes."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.