Järnföroreningar är lätta att se i ett bunt kolnanorör som ses genom ett transmissionselektronmikroskop. Forskare vid Rice University och National University of Singapore leder avgiften att rena nanorör för användning i kontinuerliga, starka och ledande kolnanorörsfibrer. Kredit:Komplexa flöden av komplexa vätskor/Rice University
För att göra kontinuerlig, starka och ledande kolnanorörsfibrer, det är bäst att börja med långa nanorör, enligt forskare vid Rice University.
Rislabbet för kemisten och kemiingenjören Matteo Pasquali, som demonstrerade sin banbrytande metod för att snurra kolnanorör till fibrer 2013, har avancerat konsten att göra nanorörbaserade material med två nya papper i American Chemical Society's ACS -tillämpade material och gränssnitt .
Det första papperet kännetecknade 19 satser av nanorör som producerats av lika många tillverkare för att avgöra vilka nanorörskarakteristika som ger de mest ledande och starkaste fibrerna för användning i storskalig rymd, konsumentelektronik och textilapplikationer.
Forskarna bestämde att nanorörens bildförhållande - längd kontra bredd - är en kritisk faktor, som är satsens totala renhet. De hittade rörens diametrar, antal väggar och kristallin kvalitet är inte lika viktigt för produktens egenskaper.
Pasquali sa att medan bildförhållandet mellan nanorör var känt för att ha inflytande på fiberegenskaper, Detta är det första systematiska arbetet för att etablera sambandet mellan ett brett spektrum av nanorörsprover. Forskare fann att längre nanorör kunde bearbetas såväl som kortare, och att mekanisk styrka och elektrisk konduktivitet ökade i låssteg.
De bästa fibrerna hade en genomsnittlig draghållfasthet på 2,4 gigapascal (GPa) och elektrisk konduktivitet på 8,5 megasiemens per meter, cirka 15 procent av ledningsförmågan hos koppar. Ökande nanorörslängd under syntes ger en väg mot ytterligare fastighetsförbättringar, Pasquali sa.
Det andra papperet fokuserade på att rena fibrer som produceras med flytande katalysatormetod för användning i filmer och aerogeler. Denna process är snabb, effektiv och kostnadseffektiv på medelstor skala och kan ge direkt spinning av högkvalitativa nanorörsfibrer; dock, det lämnar efter sig orenheter, inklusive metalliska katalysatorpartiklar och bitar av kvarvarande kol, tillåter mindre kontroll över fiberstrukturen och begränsar möjligheterna att skala upp, Pasquali sa.
En överföringselektronmikroskopbild av renade kolnanorör. Forskare vid Rice University och National University of Singapore utvecklar en process för att ta bort föroreningar från partier med långa nanorör för att snurra dem till kontinuerliga, ledande fibrer. Kredit:Komplexa flöden av komplexa vätskor/Rice University
"Det är där dessa två papper sammanfaller, "sa han." Det finns i princip två sätt att göra nanorörsfibrer. I ett, du gör nanorören och sedan snurrar du dem till fibrer, vilket är vad vi har utvecklat på Rice. I den andra, utvecklad vid University of Cambridge, du gör nanorör i en reaktor och ställer in reaktorn så att, i slutet, du kan dra ut nanorören direkt som fibrer.
"Det är klart att de direktspunna fibrerna innehåller längre nanorör, så det finns ett intresse av att få rören som ingår i dessa fibrer som en materialkälla för vår spinnmetod, "Pasquali sa." Detta arbete är ett första steg mot det målet. "
Reaktorprocessen som utvecklades för ett decennium sedan av materialforskaren Alan Windle vid University of Cambridge producerar de nödvändiga långa nanorör och fibrer i ett steg, men fibrerna måste renas, Pasquali sa. Forskare vid Rice och National University of Singapore (NUS) har utvecklat en enkel oxidativ metod för att rengöra fibrerna och göra dem användbara för ett bredare användningsområde.
Laboratorierna renade fiberprover i en ugn, först bränna ut kolföroreningar i luft vid 500 grader Celsius (932 grader Fahrenheit) och sedan nedsänka dem i saltsyra för att lösa upp järnkatalysatorföroreningar.
Föroreningar i de resulterande fibrerna reducerades till 5 procent av materialet, vilket gjorde dem lösliga i syror. Forskarna använde sedan nanorörslösningen för att göra ledande, transparenta tunna filmer.
"Det finns en stor potential för att dessa olika tekniker kan kombineras för att producera överlägsna fibrer och tekniken skalas upp för industriellt bruk, "sa medförfattaren Hai Minh Duong, en NUS biträdande professor i maskinteknik. "Den flytande katalysatormetoden kan producera olika typer av nanorör med god morfologi -kontroll ganska snabbt. Nanorörtrådarna kan samlas upp direkt från deras aerogel som bildas i reaktorn. Dessa nanorörsfilament kan sedan renas och vridas till fibrer med hjälp av vätningstekniken som utvecklats av gruppen Pasquali. "
Pasquali noterade att samarbetet mellan Rice och Singapore representerar konvergens av ett annat slag. "Detta kan mycket väl vara första gången någon från Cambridge fiber spinning line (Duong var en postdoktor i Windles laboratorium) och Rice fiber spinning line har konvergerat, "sa han." Vi arbetar tillsammans för att testa material som tillverkats i Cambridge -processen och anpassa dem till risprocessen. "
