Koolstofnanobuizen (CNT) zijn een familie van 1D-nanostructuren met talrijke geverifieerde toepassingen, mogelijk gemaakt door hun uitstekende mechanische, optische en geleidende eigenschappen. Echter, toepassing van CNT's wordt belemmerd door de aanwezigheid van soorten met verschillende structuren in het ruwe productiemengsel, die unieke eigenschappen van individuele soorten verdoezelt.

Er zijn verschillende methoden om CNT's te scheiden, maar ze zijn moeilijk op te schalen, voornamelijk vanwege de hoge kosten van de betrokken reagentia. Opmerkelijk, de meeste van deze methoden zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor het sorteren van eiwitten, en werden pas onlangs goedgekeurd voor het scheiden van CNT's.

In deze krant, de auteurs stellen een nieuwe, kosteneffectieve scheidingsmethode, geschikt voor de verwerking van CNT's op industriële schaal. De scheidingsmethode is gebaseerd op het leiden van de oppervlakteactieve oplossing van de CNT's door een kolom gevuld met chemisch gemodificeerde watten.

Een van de bestaande scheidingsmethoden, aangeduid als selectieve gelpermeatie, in essentie is het een basale kolomchromatografie. Namelijk, de CNT's oppervlakteactieve oplossing wordt door een kolom geleid, gevuld met parelgels van agarose en/of dextran met de handelsnamen Sepharose en Sephacryl. Zowel agarose als dextran zijn polysachariden gemaakt van de glucose of glucose-achtige bouweenheden. Cellulose is een natuurlijk polysacharide dat uit dezelfde structurele eenheden bestaat. Daarom besloot het team dit materiaal te proberen als kolomvuller voor selectieve permeatie.

Katoen is natuurlijke cellulose, met een groot oppervlak vanwege de vezelstructuur. Co-auteur Timur Khamidullin, een doctoraat student in de groep van Ayrat Dimiev (Laboratory of Advanced Carbon Nanomaterials, Kazan Federal University) deed de eerste poging met natuurlijke watten die bij een plaatselijke apotheek was gekocht. Ondanks de lage sorteerefficiëntie, er was een geregistreerde scheiding, d.w.z. katoen werkte als kolomvuller. Geïnspireerd door het resultaat, Ayrat Dimiev besloot de watten chemisch te modificeren om de chemische aard van het oppervlak te veranderen. De resultaten waren zelfs hoger dan de verwachtingen:dit gaf een veel betere scheidingsefficiëntie vanaf de eerste proef. Het kostte nog eens anderhalf jaar van de inspanningen van de collectieve groep om zowel de chemische modificatie van katoen, en de verhouding van oppervlakteactieve stoffen in dispergerende en eluerende oplossingen.

Door het gebruik van gemodificeerde watten kon een scheidingsniveau worden bereikt dat nog nooit eerder voor tubal CNT's was gemeld. In aanvulling, gemodificeerde watten zijn ongeveer 200 keer goedkoper dan de op agarose en dextran gebaseerde hydrogels, momenteel gebruikt in de selectieve gelpermeatiescheidingsmethode. De schaalbaarheid van de methode wordt alleen beperkt door de diameter van de scheidingskolom.

De belangrijkste bijdrage aan het werk werd geleverd door groepsleider Ayrat Dimiev, doctoraat student Timur Khamidullin, en postdocs Shamil Galyaltdinov en Artur Khannanov.

In het ruwe productiemengsel, CNT's met verschillende structuren en eigenschappen verdoezelen elkaars waarde. De industriële vraag naar gescheiden CNT's zal de komende jaren verschijnen en groeien. CNT's met geleidbaarheid van het metaaltype kunnen worden gebruikt in flexibele transparante geleidende films en kunnen zelfs metalen in bedrading vervangen. Halfgeleidende CNT's kunnen worden gebruikt als transistors en als platforms voor beeldvorming en gerichte medicijnafgifte vanwege hun duidelijke en unieke emissie in het IR-gebied. Dus, efficiënte methoden voor het scheiden van ruwe CNT-productiemengsels zouden de toepassing van CNT's op een nieuw wetenschappelijk en technologisch niveau verhogen. Bovendien, de beschikbaarheid van kant-en-klare gescheiden nanobuisjes zal het zoeken naar nieuwe richtingen voor hun toepassing stimuleren.

Het belangrijkste gebied van toekomstig werk is om de efficiëntie van de scheiding verder te verhogen door de parameters van het scheidingsproces en de structuur van de gemodificeerde watten te verfijnen. De optimale structuur van de gemodificeerde watten en de voorwaarden voor de productie ervan zijn nog steeds niet volledig begrepen; deze vraag moet volledig worden opgelost. Nadat dit is bereikt, het proces moet worden opgeschaald naar industriële hoeveelheden, en gescheiden nanobuisjes met verschillende soorten geleidbaarheid moeten worden getest voor praktische oplossingen.

De krant is online beschikbaar gesteld en zal naar verwachting in juni 2021 in druk verschijnen.