Ultradunne koolstof nanobuisjes kristallen kunnen wonderbaarlijke toepassingen hebben, zoals het omzetten van afvalwarmte in elektriciteit met bijna perfecte efficiëntie, en ingenieurs van Rice University hebben een grote stap in de richting van dat doel gezet.

De laatste stap zet een verhaal voort dat in 2013 begon toen Junichiro Kono van Rice en zijn studenten een baanbrekende methode ontdekten om koolstofnanobuisjes in dunne films op een filtermembraan te maken.

Nanobuisjes zijn lang, hol en berucht om in de knoop te raken. Stel je een tuinslang voor van tientallen kilometers lang, krimp vervolgens de diameter van de slang tot de breedte van een paar atomen. Iedereen die ooit met een geknoopte slang heeft gevochten, kan de prestatie van Kono waarderen:hij en zijn studenten hadden een menigte weerbarstige nanobuisjes in een goed geordend collectief veranderd. Uit eigen beweging, en met miljarden, nanobuisjes lagen gewillig naast elkaar, als droge spaghetti in een doos.

Het probleem? Kono en zijn studenten hadden geen idee waarom het gebeurde.

"Het was magisch. Ik bedoel, echt mysterieus, " zei Kono, een elektrotechnisch ingenieur, toegepast natuurkundige en materiaalwetenschapper die al meer dan twee decennia koolstofnanobuisjes bestudeert. "We hadden geen idee wat er werkelijk gebeurde op microscopische schaal. En het allerbelangrijkste:we wisten niet eens in welke richting die nanobuisjes zouden uitlijnen."

Hij en zijn team publiceerden hun bevindingen in 2016, en het veld woog met mogelijke verklaringen. Het antwoord, zoals beschreven in een nieuw artikel van Kono's team en medewerkers in Japan, is zowel onverwacht als eenvoudig:kleine parallelle groeven in het filterpapier - een artefact van het productieproces van het papier - veroorzaken de uitlijning van de nanobuisjes. Het onderzoek is online beschikbaar in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Kono zei een afgestudeerde student in zijn lab, hoofdauteur van de studie Natsumi Komatsu, was de eerste die de groeven opmerkte en associeerde ze met uitlijning van nanobuisjes.

"Ik ontdekte dat elk commercieel gekocht filtermembraanpapier dat voor deze techniek wordt gebruikt, deze groeven heeft, "Zei Komatsu. "De dichtheid van groeven varieert van batch tot batch. Maar er zijn altijd groeven."

Om de 2-D kristallijne films te vormen, onderzoekers suspenderen eerst een mengsel van nanobuisjes in een water-surfactant-oplossing. De zeepachtige oppervlakteactieve stof bedekt de nanobuisjes en werkt als een ontklitter. In 2013, De studenten van Kono gebruikten vacuümfiltratie om deze mengsels door membraanfilterpapier te trekken. De vloeistof ging door het papiermembraan, bovenop een film van uitgelijnde nanobuisjes achterlatend.

In een uitgebreide reeks experimenten, Komatsu en collega's, waaronder Kono group postdoctoraal onderzoeker Saunab Ghosh, toonde aan dat de uitlijning van nanobuisjes in deze films overeenkwam met parallelle, submicroscopische groeven op het papier. De groeven ontstaan ​​waarschijnlijk wanneer het filterpapier in de fabriek op rollen wordt getrokken, zei Kono.

Komatsu onderzocht tientallen monsters van filterpapier en gebruikte scanning-elektronenmicroscopen en atoomkrachtmicroscopen om groeven en groevenpatronen te karakteriseren. Ze sneed filters in stukken, zette de stukken weer in elkaar met groeven in verschillende richtingen en liet zien dat ze films produceerden met bijpassende uitlijningen.

Komatsu en collega's gebruikten ook hitte en druk om de groeven uit filterpapier te verwijderen, dezelfde principes gebruiken als bij het strijken van kreukels uit kleding. Ze toonden aan dat films gemaakt met groefvrij papier nanobuisjes in verschillende richtingen hadden uitgelijnd.

Eindelijk, beginnend met groefvrij papier, ze toonden aan dat ze een zeer fijn reflecterend rooster met periodieke groeven konden gebruiken om hun eigen groevenpatronen te creëren en dat overeenkomstige nanobuisfilms die patronen volgden.

Kono zei dat de methode opwindend is omdat het de nodige voorspelbaarheid biedt voor de productie van 2-D kristallijne nanobuisfilms.

"Als de nanobuisjes willekeurig georiënteerd zijn, je verliest alle eendimensionale eigenschappen, "Zei Kono. "Eendimensionaal zijn is de sleutel. Het leidt tot alle ongewone maar belangrijke eigenschappen."

Hoewel de films van de Kono-groep in wezen 2D zijn - tot wel een inch in diameter maar slechts een paar miljardsten van een meter dik - gedragen de individuele nanobuisjes zich als 1D-materialen, vooral in termen van hun optische en elektronische eigenschappen.

De buitengewone optische en elektronische eigenschappen van koolstofnanobuizen zijn afhankelijk van hun diameter en structuur, of chiraliteit. Sommige chiraliteiten werken als metalen en andere als halfgeleiders, en onderzoekers hebben tientallen jaren geworsteld om een ​​manier te vinden om grote, macroscopische objecten zoals een draad of een van Kono's 1-inch diameter films puur uit nanobuisjes met één diameter en chiraliteit.

"Dat is natuurlijk de volgende stap, " zei Ghosh. "In deze studie, we gebruikten nog steeds een mengsel van metalen en halfgeleidende koolstofnanobuizen met een diameterverdeling. De volgende stap is om deze nieuwe methode toe te passen op basis van het opzettelijk maken van groeven met behulp van een rooster om totale controle over de uitlijnrichting te bereiken."

Kono zei dat zijn team zeer uitgelijnde 2D-kristallen heeft gemaakt van oplossingen met een divers mengsel van nanobuisjes.

"Maar als we naar een single-chiraliteitsoplossing gaan, we waren nooit tevreden met de uitlijning, "zei hij. "Nu, met deze kennis van groeven, we zijn ervan overtuigd dat we de mate van uitlijning kunnen verbeteren in het geval van films van koolstof nanobuisjes met één chiraliteit."

Films met één enkele chiraliteit kunnen de deur openen naar toepassingen met een verbijsterend potentieel, bijvoorbeeld platen van pure koolstof die warmte omzetten in licht met een bijna perfecte efficiëntie. Door zo'n plaat te trouwen met een fotovoltaïsch materiaal, zou een manier kunnen zijn om warmte zeer efficiënt om te zetten in elektrische energie, de mogelijkheid creëren van radiatoren die zowel motoren als elektronica koelen en tegelijkertijd van stroom voorzien.

Kono's lab en de onderzoeksgroep van Rice's Guururaj Naik demonstreerden het concept hiervoor in een artikel uit 2019 over hyperbolische koolstof nanobuisfilms.

Single-chiraliteit kristallijne films kunnen ook worden gebruikt om nieuwe toestanden van materie te bestuderen, zoals exciton-polaritonen en Bose-Einstein-condensaten, en voor toepassingen die nog niet zijn voorzien, zei Kono.

"Op dit moment, slechts een klein aantal groepen in de wereld kan deze op één lijn brengen, zeer dicht, zwaar ingepakte koolstofnanobuisfilms, "zei hij. "En het werk dat we net hebben afgerond, het groef-geassisteerde werk, biedt meer controle. Dit zal leiden tot betere films, nieuwe toepassingen en nieuwe wetenschap. We zijn erg opgewonden."