Nanomaterialen onderzoekers in Finland, de Verenigde Staten en China hebben een kleurenatlas gemaakt voor 466 unieke soorten enkelwandige koolstofnanobuisjes.

De nanobuis-kleurenatlas wordt gedetailleerd beschreven in een studie in Geavanceerde materialen over een nieuwe methode om de specifieke kleuren van dunne films te voorspellen die worden gemaakt door een van de 466 variëteiten te combineren. Het onderzoek is uitgevoerd door onderzoekers van de Aalto University in Finland, Rice University en Peking University in China.

"Koolstof, die we als zwart zien, kan transparant lijken of elke kleur van de regenboog aannemen, " zei Aalto-natuurkundige Esko I. Kauppinen, de corresponderende auteur van de studie. "Het vel lijkt zwart als het licht volledig wordt geabsorbeerd door koolstofnanobuisjes in het vel. Als minder dan ongeveer de helft van het licht in de nanobuisjes wordt geabsorbeerd, het blad ziet er transparant uit. Wanneer de atomaire structuur van de nanobuisjes alleen bepaalde kleuren licht veroorzaakt, of golflengten, geabsorbeerd worden, de golflengten die niet worden geabsorbeerd, worden gereflecteerd als zichtbare kleuren."

Koolstof nanobuisjes zijn lang, holle koolstofmoleculen, vergelijkbaar in vorm met een tuinslang, maar met zijden van slechts één atoom dik en diameters van ongeveer 50, 000 keer kleiner dan een mensenhaar. De buitenwanden van nanobuisjes zijn gemaakt van opgerold grafeen. En de wikkelhoek van het grafeen kan variëren, net als de hoek van een rol cadeaupapier voor de feestdagen. Als de cadeauverpakking zorgvuldig wordt opgerold, in een hoek van nul, de uiteinden van het papier zullen uitgelijnd zijn met elke kant van de geschenkverpakkingsbuis. Als het papier onzorgvuldig wordt opgewonden, in een hoek, het papier zal aan het ene uiteinde van de buis overhangen.

De atomaire structuur en het elektronische gedrag van elke koolstofnanobuis wordt bepaald door de wikkelhoek, of chiraliteit, en zijn diameter. De twee eigenschappen worden weergegeven in een "(n, m)" nummeringssysteem dat 466 soorten nanobuisjes catalogiseert, elk met een karakteristieke combinatie van chiraliteit en diameter. Elke (n, m) type nanobuisje heeft een karakteristieke kleur.

De onderzoeksgroep van Kauppinen heeft jarenlang koolstofnanobuizen en dunne films van nanobuizen bestudeerd, en het was er eerder in geslaagd om de fabricage van gekleurde nanobuisjes dunne films die groen leken te beheersen, bruin en zilvergrijs.

In de nieuwe studie Het team van Kauppinen onderzocht de relatie tussen het spectrum van geabsorbeerd licht en de visuele kleur van verschillende diktes van droge nanobuisfilms en ontwikkelde een kwantitatief model dat het kleurmechanisme voor nanobuisfilms ondubbelzinnig kan identificeren en de specifieke kleuren kan voorspellen van films die buizen combineren met verschillende inherente kleuren en (n, m) aanduidingen.

Rijstingenieur en natuurkundige Junichiro Kono, wiens lab in 2012 het mysterie van kleurrijke leunstoelnanobuisjes oploste verstrekte films uitsluitend gemaakt van (6, 5) nanobuisjes die werden gebruikt om het Aalto-model te kalibreren en te verifiëren. Onderzoekers van Aalto en Peking University gebruikten het model om de absorptie van de rijstfilm en zijn visuele kleur te berekenen. Experimenten toonden aan dat de gemeten kleur van de film vrij goed overeenkwam met de kleurvoorspelling door het model.

Het Aalto-model laat zien dat de dikte van een nanobuisfilm, evenals de kleur van de nanobuisjes die het bevat, invloed op de absorptie van licht door de film. Aalto's atlas van 466 kleuren nanobuisfilms is afkomstig van het combineren van verschillende buizen. Uit het onderzoek bleek dat de dunste en meest kleurrijke buizen zichtbaar licht meer aantasten dan buizen met grotere diameters en vervaagde kleuren.

"De groep van Esko heeft uitstekend werk geleverd door de kleuren theoretisch uit te leggen, kwantitatief, wat dit werk echt onderscheidt van eerdere studies over fluorescentie en kleuring van nanobuisjes, ' zei Kono.

Sinds 2013, Kono's lab heeft een pionierswerk verricht voor het maken van zeer geordende 2D-nanobuisfilms. Kono zei dat hij had gehoopt het team van Kauppinen te voorzien van zeer geordende 2-D kristallijne films van nanobuisjes met een enkele chiraliteit.

"Dat was het oorspronkelijke idee, maar helaas, we hadden op dat moment geen geschikte films met één chiraliteit, "Zei Kono. "In de toekomst, onze samenwerking is van plan om dit werk uit te breiden om polarisatie-afhankelijke kleuren te bestuderen in zeer geordende 2D-kristallijne films."

De experimentele methode die de Aalto-onderzoekers gebruikten om nanobuisjes voor hun films te kweken was dezelfde als in hun eerdere studies:Nanobuisjes groeien uit koolmonoxidegas en ijzerkatalysatoren in een reactor die wordt verwarmd tot meer dan 850 graden Celsius. De groei van nanobuisjes met verschillende kleuren en (n, m) aanduidingen worden geregeld met behulp van kooldioxide dat aan de reactor wordt toegevoegd.

"Sinds het vorige onderzoek we hebben nagedacht over hoe we het ontstaan ​​van de kleuren van de nanobuisjes zouden kunnen verklaren, " zei professor Nan Wei van de Universiteit van Peking, die eerder als postdoctoraal onderzoeker bij Aalto werkte. "Van de allotropen van koolstof, grafiet en houtskool zijn zwart, en pure diamanten zijn kleurloos voor het menselijk oog. Echter, nu merkten we dat enkelwandige koolstofnanobuisjes elke kleur kunnen aannemen:rood, blauw, groen of bruin."

Kauppinen zei dat gekleurde dunne films van nanobuisjes buigzaam en kneedbaar zijn en nuttig kunnen zijn in gekleurde elektronische structuren en in zonnecellen.

"De kleur van een scherm kan worden aangepast met behulp van een tactiele sensor in mobiele telefoons, andere aanraakschermen of bovenop vensterglas, bijvoorbeeld, " hij zei.

Kauppinen zei dat het onderzoek ook een basis kan bieden voor nieuwe soorten milieuvriendelijke kleurstoffen.