(PhysOrg.com) - Rice University forskare presenterade idag en metod för industriell skala bearbetning av rena kol-nanorörfibrer som kan leda till revolutionerande framsteg inom materialvetenskap, kraftfördelning och nanoelektronik. Resultatet av ett nioårigt program, Metoden bygger på beprövade processer som kemiföretag har använt i årtionden för att tillverka plast. Forskningen finns tillgänglig online i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Plast är en amerikansk industri på 300 miljarder dollar på grund av den massiva genomströmningen som är möjlig med vätskebearbetning, " sa Rice's Matteo Pasquali, en uppsatsmedförfattare och professor i kemi- och biomolekylär teknik och i kemi. "Anledningen till att livsmedelsbutiker använder plastpåsar istället för papper och anledningen till att polyesterskjortor är billigare än bomull är att polymerer kan smältas eller lösas upp och bearbetas som vätskor av tågvagnslasten. Bearbetning av nanorör som vätskor öppnar upp all vätska- processteknik som har utvecklats för polymerer."

Rapporten var medförfattare av ett 18-medlemsteam av forskare från Rices Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, University of Pennsylvania och Technion-Israel Institute of Technology. Medförfattare inkluderar Smalley Institutes namne Rick Smalley, den sena nobelpristagaren kemisten som utvecklade den första metoden med hög genomströmning för att producera högkvalitativa kolnanorör, liksom Virginia Davis, en tidigare doktorand hos Pasquali's och Smalley's som nu är professor vid Auburn University, och Micah Green, en tidigare postdoktor hos Pasquali som nu är professor vid Texas Tech University.

Den nya processen bygger på 2003 års upptäckt av ris för att lösa stora mängder rena nanorör i starka sura lösningsmedel som svavelsyra. Forskargruppen fann sedan att nanorör i dessa lösningar anpassade sig, som spagetti i ett paket, för att bilda flytande kristaller som kan spinnas till monofilamentfibrer ungefär lika stora som ett människohår.

"Denna forskningen etablerade en industriellt relevant process för nanorör som var analog med metoderna som användes för att skapa Kevlar från stavliknande polymerer, förutom att syran inte är ett riktigt lösningsmedel, sa Wade Adams, direktör för Smalley Institute och medförfattare till det nya dokumentet. "Den nuvarande forskningen visar att vi har ett riktigt lösningsmedel för nanorör - klorsulfonsyra - vilket är vad vi ville hitta när vi startade det här projektet för nio år sedan."

Efter 2003 års genombrott med sura lösningsmedel, teamet studerade metodiskt hur nanorör betedde sig i olika typer och koncentrationer av syror. Genom att jämföra och kontrastera beteendet hos nanorör i syror med litteraturen om polymerer och stavliknande kolloider, teamet utvecklade både de teoretiska och praktiska verktyg som kemiföretag kommer att behöva för att bearbeta nanorör i bulk.

"Ishi Talmon och hans kollegor på Technion gjorde det kritiska arbete som krävdes för att få direkt bevis på att nanorör löstes upp spontant i klorsulfonsyra, " sa Pasquali. "För att göra detta, de var tvungna att utveckla nya experimentella tekniker för direkt avbildning av förglasade snabbfrysta syralösningar."

Talmon sa, "Detta var en mycket svår studie. Matteos team behövde inte bara banbryta nya experimentella tekniker för att uppnå detta, de var också tvungna att göra betydande utökningar av de klassiska teorierna som användes för att beskriva lösningar av stavar. Technion-teamet var tvunget att utveckla en ny metod för att göra det möjligt för oss att producera högupplösta bilder av nanorören dispergerade i klorsulfonsyra, en mycket frätande vätska, genom state-of-the-art elektronmikroskopi vid kryogena temperaturer."

Medförfattare Nicholas Parra-Vasquez, en Rice-student med råd av Pasquali som nu arbetar i Frankrike, sa, "När jag tittade på projektet när jag började, Jag hade ingen aning om var det skulle hamna och hur mycket arbete som behövde göras. Projektet omfattade många studenter och professorer, samt samarbeten med andra skolor. På grund av detta, det var en långsam process men en som inte lämnade någon väg okontrollerad. Tittar på det nu, Jag kan inte fatta hur stort det blev - hur mycket ansträngning som lades ner på varje punkt som hittats."

Få tekniska genombrott har hypats lika mycket som kolnanorör. Sedan upptäckten 1991, nanorör har utropats som allt från ett botemedel mot cancer till en lösning på världens energikris. Hypen är desto mer anmärkningsvärd med tanke på att nanorör är notoriskt svåra att arbeta med och att kemister världen över kämpat i flera år till och med för att göra dem.

Så varför hypen? Enkelt uttryckt, kolnanorör är anmärkningsvärda. Även om de har ungefär samma storlek och form som vissa stavliknande polymermolekyler, nanorör kan leda elektricitet såväl som koppar, och de kan vara antingen metaller eller halvledare. De kan märkas med antikroppar för att diagnostisera sjukdomar eller värmas upp med radiovågor för att förstöra cancer. De har använts för att göra transistorer mycket mindre än de i dagens finaste mikrochips. Nanorör väger också ungefär en sjättedel så mycket som stål men kan vara upp till 100 gånger starkare.

"Kevlar, polymerfiber som används i skottsäkra västar, är ungefär fem till tio gånger starkare än våra starkaste nanorörsfibrer idag, men i princip borde vi kunna göra våra fibrer ungefär 100 gånger starkare, ", sa Pasquali. "Om vi ​​kan realisera ens 20 procent av vår potential, vi kommer att ha ett bra material, kanske den starkaste som någonsin känts.

"Den elektriska ledningsförmågan är redan ganska bra, " sa han. "Det är ungefär samma sak av de bäst ledande kol-kolfibrerna, och det skulle kunna förbättras 200 gånger om bättre produktionsmetoder för metalliska nanorör kan hittas."

Den nya forskningen dyker upp precis som Smalley Institute förbereder sig för ett 10 -årsjubileum den 5 november när Smalleys "HiPco" -reaktor skapades, det första systemet som kan producera högkvalitativa nanorör i bulk. HiPco, förkortning för högtrycks kolmonoxidprocess, bröt problemet med produktion av nanorör och banade väg för mer vetenskapliga studier och för industrin att börja använda dem i vissa material. Industriella nanorörsreaktorer genererar idag flera ton kolnanorör av låg kvalitet per år, och den världsomspännande marknaden för nanorör förväntas toppa 2 miljarder dollar årligen inom det kommande decenniet.

Men ett sista genombrott återstår innan den verkliga potentialen hos högkvalitativa kolnanorör kan realiseras. Det beror på att HiPco och alla andra metoder för att göra avancerade, "enväggiga" nanorör genererar en samling nanorör med olika diametrar, längder och molekylära strukturer. Forskare över hela världen kämpar för att hitta en process som bara genererar en enda typ av nanorör, som de bäst ledande metalliska varianterna, till exempel.

"En bra sak med processen vi har just nu är att om någon kunde ge oss ett gram rena metalliska nanorör, vi skulle kunna ge dem ett gram fiber inom några dagar, sa Pasquali.

Källa:Rice University (nyheter:webb)