Koolstofnanobuisjes zijn veelbelovend gebleken voor alles, van micro-elektronica tot luchtvaart en energieopslag. Onderzoekers denken dat dit materiaal op een dag de sciencefictiondroom van het creëren van een lift naar de ruimte zou kunnen vervullen.

Dus waarom worden ze niet vaker gebruikt?

Chemicus Noe Alvarez van de Universiteit van Cincinnati zei dat een obstakel het frustrerende onvermogen is om koolstofnanobuisjes aan metalen oppervlakken te koppelen in een robuuste verbinding voor sensoren, transistors en ander gebruik. Deze holle buizen hebben een diameter van slechts een miljardste meter, maar kunnen vele centimeters lang zijn.

"We willen dat onze experimenten reproduceerbaar en consistent zijn, maar dat is niet eenvoudig mogelijk met nanobuisjes, omdat we niet kunnen controleren hoe goed ze verbonden zijn met metalen oppervlakken", zei hij.

Maar hij en zijn medewerkers hebben een nieuw chemisch proces gedemonstreerd dat nanobuisjes op metalen oppervlakken ent om een ​​sterke, consistente, geleidende verbinding te creëren. Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nanoscale Advances .

In eerdere versies werden koolstofnanobuisjes verspreid in een oplossing om wat Alvarez vergelijkt met 'natte spaghetti' te maken die aan een metalen oppervlak blijft plakken.

"Maar er is geen robuust verband. Niets houdt de nanobuisjes echt aan het oppervlak", zei hij.

Metingen van eigenschappen zoals elektrische geleidbaarheid waren dus onnauwkeurig en inconsistent.

Alvarez en zijn onderzoekspartners aan de Texas A&M University, onder leiding van hoogleraar chemische technologie Jorge Seminario, demonstreerden manieren om nanobuisjes chemisch te binden aan koper, aluminium, goud en andere metalen oppervlakken.

Alvarez en zijn medewerkers ontvingen een subsidie ​​van $720.000 van de National Science Foundation om hun chemische ontdekking de komende drie jaar verder uit te werken.

"Waarom zien we koolstofnanobuisjes niet in wijdverbreide commerciële toepassingen, ook al hebben ze zoveel potentieel? We moeten nog veel uitzoeken", zegt UC-promovendus en hoofdauteur van het onderzoek, Chaminda Nawarathne.

Alvarez en zijn co-auteurs ontdekten door middel van computerberekeningen dat koolstofatomen in de organische verbinding zich feitelijk binden met twee koperatomen, waardoor een bijzonder sterke binding ontstaat.

"Dat verklaart waarom onze nanobuisjes, zodra ze chemisch verbonden zijn, verbonden blijven", zei Alvarez.

Koolstofnanobuisjes zijn notoir sterke moleculen. Hun moleculaire structuur creëert een elegant zeshoekig rooster. "Koolstofbindingen zijn de sterkste bindingen. Het zijn covalente bindingen. Daarom is diamant het moeilijkste materiaal, omdat het koolstof-koolstofbindingen zijn", zei Alvarez.

Terwijl koolstofatomen in diamanten enkelvoudige bindingen zijn, hebben koolstofnanobuisjes dubbelgebonden atomen geconjugeerd, waardoor ze zelfs sterker zijn dan diamanten.

Kabels gemaakt van sterke maar lichtgewicht koolstofnanobuisjes zijn gepland voor het creëren van "ruimteliften" die apparatuur in een baan om de aarde kunnen brengen, zei Alvarez. In de openingsscène van de Brad Pitt-film 'Ad Astra' werd een ruimtelift afgebeeld.

Maar kracht is slechts een van hun unieke eigenschappen.

Koolstofnanobuisjes worden gebruikt om het zwartste synthetische materiaal op aarde te maken. Alvarez zei dat hun sterke binding met metaal zou kunnen leiden tot betere verven en coatings.

"Nanobuisjes zijn redelijk inert, ze zijn erg stabiel, je kunt ze conjugeren zonder hun bindingen te verbreken. Halfgeleidende nanobuisjes hebben ook fluorescentie-eigenschappen:ze kunnen licht genereren", zei Alvarez. "Dus de lijst met applicaties gaat maar door."

Nawarathne zei dat hij mogelijke toepassingen in energieopslag nastreeft.

"Nu we de koolstofnanobuisjes aan een stroomcollector of metalen sonde kunnen binden, kunnen we zeer stabiele elektroden voor supercondensatoren maken", aldus Nawarathne.

UC-scheikundestudenten "kweken" nanobuisjes op siliciumschijven met behulp van een proces dat katalytische chemische dampafzetting wordt genoemd in apparatuur die reagentia en een ijzerkatalysator verwarmt tot 1450 ° F.

'Het is gloeiend heet,' zei Alvarez, wijzend naar een voorwerp dat zichtbaar was door een glazen raam in de machine ter grootte van een oven. "Dat is net een bakvorm. Hier gaat de katalysator in."

Na 45 minuten verschijnt er een dunne laag koolstofnanobuisjes op het silicium. Van daaruit konden onderzoekers de nanobuisjes elektrografteren op verschillende metalen oppervlakken. Aanvankelijk gebruikten ze bundels nanobuisjes, maar dankzij verfijnde processen konden ze verticaal uitgelijnde nanobuisjes met elkaar verbinden.

"Het is alsof je wol probeert terug te koppelen aan een schaap. Je hebt garen dat van het schaap is afgeschoren. We zijn in staat om individuele vezels chemisch weer aan het schaap te verbinden", zei hij.

Meer informatie: Chaminda P. Nawarathne et al., Covalente bindingen creëren tussen Cu en C op het grensvlak van metaal/koolstofnanobuisjes met open uiteinde, Nanoscale Advances (2023). DOI:10.1039/D3NA00500C

Aangeboden door Universiteit van Cincinnati