(PhysOrg.com) - Ett team av nanoteknologiforskare från University of Maryland har löst en av de mest irriterande utmaningarna som hindrar användningen av kolnanomaterial för bättre elektrisk energilagring eller förbättrar biosensornas fluorescensavkänningsmöjligheter. Resultaten publiceras i 12 juli-numret av Naturkommunikation .

Den banbrytande forskningen leddes av professor Yu Huang Wang vid institutionen för kemi och biokemi och genomfördes i universitetets Nanostructures for Electrical Energy Storage Center (ett Energy Frontier Research Center vid Department of Energy). Northwestern University, och Maryland NanoCenter.

Kolnanorör (CNT) erkänns har enorm potential. De är några av de mest ledande strukturerna som någonsin gjorts, mycket effektiva elektroder med enorm yta. För att dra full nytta av dessa egenskaper, dock, CNT:er måste vara lösliga, det vill säga har förmågan att dispergeras i en flytande miljö eller att jämnt belägga ett fast kompositmaterial. Tyvärr, i sitt råa tillstånd är CNT olösliga; de klumpar ihop sig istället för att skingras.

I mer än ett decennium, forskare har utvecklat nya kemiska processer för att hantera denna utmaning. En idé har varit att skapa permanenta defekter på CNT:s ytor och "funktionalisera" dem så att de är lösliga. Tyvärr, detta har också den oönskade bieffekten att snabbt förstöra CNTs elektriska och optiska egenskaper.

Wang och hans team har utvecklat en ny funktionaliseringsprocess för CNT:er som ger löslighet och bevarar elektriska och optiska egenskaper. De funktionaliserar målmedvetet defekter på rören på användbara, inte slumpmässiga platser, skapa strategiska "funktionella grupper". Dessa noggrant placerade molekylgrupper tillåter CNT:er att lätt sprida sig samtidigt som de behåller sina optiska egenskaper och förmåga att leda elektrisk ström i stora områden längs röret.

Utmaningen har varit att kontrollera de kemiska reaktionerna som producerar de funktionella grupperna på CNT. Genom att använda en kemisk process som kallas Billups-Birch reduktiv alkylkarboxylering, Wangs team fann att de successivt kunde lägga till nya funktionella grupper till CNT -väggen på ett kontrollerat sätt utan att införa oavsiktliga nya defekter.

När CNT sänks ned i en kemisk lösning under en viss tid, de funktionaliserade grupperna på nanorören förlängs med en förutsägbar mängd. Varje gång processen upprepas, eller när tiden i lösningen ökar, sektionerna blir längre. När CNTs ses under en speciell, högförstoringselektronmikroskop, det är uppenbart att funktionaliseringen har fortskridit längs med röret.

Utbredningen kan initieras antingen från naturligt förekommande eller avsiktligt införda defekter. Eftersom förökningsmekanismen begränsar reaktionen och strategiskt styr var de funktionella grupperna växer, Wangs team kan producera klustrade funktionella grupper på en kontrollerad, konstant utbredningshastighet. Det är den första klart etablerade våtkemiska processen som gör det.

Genombrottet gör det möjligt att skapa nya funktionella strukturer som "bandade" nanorör med alternerande segment av funktionaliserade och intakta regioner. De funktionaliserade regionerna hindrar CNT från att klumpa ihop sig, vilket gör dem till de mest vattenlösliga CNT kända. På samma gång, banden av intakta, icke-funktionaliserade regioner i CNT:erna gör det möjligt att behålla elektriska och optiska egenskaper.

"Detta är viktigt för framtida användning av dessa material i batterier och solceller där effektiv laddningssamling och transport eftersträvas, "Wang förklarar. "Dessa CNT kan också användas som mycket känsliga biokemiska sensorer på grund av deras skarpa optiska absorption och långlivade fluorescens i de nära infraröda områdena där vävnader är nästan optiskt transparenta."

"Detta är ett stort steg mot att bygga de kontrollerade nanostrukturer som behövs för att förstå elektrokemisk vetenskap och dess värde för energilösningar, " säger University of Maryland NanoCenter Director, Professor Gary Rubloff, en samarbetspartner i projektet.