Precis som många av oss kanske är uppgivna inför igensatta saltkar eller rusningstrafik, de som arbetar med att utnyttja kolnanorörens speciella egenskaper har vanligtvis ryckt på axlarna när dessa minsta cylindrar fylls med vatten under bearbetningen. Men för nanorörsutövare som har nått sin Popeye-tröskel och "inte tål mer, "National Institute of Standards and Technology (NIST) har tagit fram en billig, snabb och effektiv strategi som på ett tillförlitligt sätt förbättrar materialens kvalitet och konsistens – viktigt för att kunna använda dem effektivt i applikationer som ny datorteknik.

För att förhindra att kärnorna i enkelväggiga kolnanorör fylls med vatten eller andra skadliga ämnen, NIST-forskarna rekommenderar att man avsiktligt förfyller dem med en önskad kemikalie med kända egenskaper. Att ta detta steg innan man separerar och sprider materialet, görs vanligtvis i vatten, ger en genomgående enhetlig samling av nanorör. I kvantitet och kvalitet, resultaten är överlägsna vattenfyllda nanorör, speciellt för optiska applikationer som sensorer och fotodetektorer.

Tillvägagångssättet öppnar en enkel väg för att konstruera egenskaperna hos enkelväggiga kolnanorör – ihoprullade ark av kolatomer ordnade som kycklingnät eller honungskammar – med förbättrade eller nya egenskaper.

"Det här tillvägagångssättet är så enkelt, billig och allmänt användbar att jag inte kan komma på en anledning att inte använda den, " sa NIST kemiingenjör Jeffrey Fagan.

I sina proof-of-concept-experiment, NIST-teamet infogade mer än 20 olika föreningar i ett sortiment av enkelväggiga kolnanorör med en inre diameter som sträckte sig från mer än 2 ner till cirka 0,5 nanometer. Leds av gästforskaren Jochen Campo, forskarna testade sin strategi genom att använda kolväten som kallas alkaner som fyllmedel.

alkanerna, som inkluderar sådana välkända föreningar som propan och butan, tjänade till att göra nanorörets interiörer oreaktiva. Med andra ord, de alkanfyllda nanorören betedde sig nästan som om de vore tomma – just Campos mål, Fagan och kollegor.

Jämfört med nanorör fyllda med vatten och eventuellt joner, syror och andra oönskade kemikalier som påträffas under bearbetning, tomma nanorör har mycket överlägsna egenskaper. Till exempel, när det stimuleras av ljus, tomma kolnanorör fluorescerar mycket ljusare och med skarpare signaler.

Än, "spontant intag" av vatten eller andra lösningsmedel av nanorören under bearbetning är ett "endemiskt men ofta försummat fenomen med starka implikationer för utvecklingen av nanorörstillämpningar, " skrev NIST-teamet i en ny artikel i Nanoskala horisonter .

Kanske på grund av de extra kostnader och ansträngningar som krävs för att filtrera bort och samla in nanorör, forskare tenderar att tolerera blandade partier av ofyllda (tomma) och mestadels fyllda enkelväggiga kolnanorör. Att separera ofyllda nanorör från dessa blandningar kräver dyr ultracentrifugutrustning och, även då, avkastningen är bara cirka 10 procent, Campo uppskattar.

"Om ditt mål är att använda nanorör för elektroniska kretsar, till exempel, eller för fluorescerande bildkontrastmedel mot cancer, då behöver du mycket större mängder material med jämn sammansättning och kvalitet, " förklarade Campo, som undersökte dessa applikationer medan han gjorde postdoktoral forskning vid universitetet i Antwerpen. "Detta speciella behov inspirerade utvecklingen av den nya förfyllningsmetoden genom att ställa frågan, kan vi lägga in någon passiv kemikalie i nanoröret istället för att hålla vattnet ute."

Från de allra första enkla experimenten, svaret var ja. Och fördelarna kan vara betydande. I fluorescensexperiment, alkanfyllda nanorör avgav signaler två till tre gånger starkare än de som avges av vattenfyllda nanorör. Prestandan närmade sig den för tomma nanorör – guldstandarden för dessa jämförelser.

Lika viktigt, den NIST-utvecklade förfyllningsstrategin är kontrollerbar, mångsidig och lätt att integrera i befintliga metoder för bearbetning av enkelväggiga kolnanorör, enligt forskarna.