Bikarbonat, bordssalt, och tvättmedel är förvånansvärt effektiva ingredienser för tillagning av kolnanorör, forskare vid MIT har funnit.

I en studie som publicerades i veckan i tidningen Angewandte Chemie , teamet rapporterar att natriumhaltiga föreningar som finns i vanliga hushållsingredienser kan katalysera tillväxten av kolnanorör, eller CNT, vid mycket lägre temperaturer än vad traditionella katalysatorer kräver.

Forskarna säger att natrium kan göra det möjligt för kolnanorör att odlas på en mängd material med lägre temperatur, såsom polymerer, som normalt smälter under de höga temperaturer som behövs för traditionell CNT -tillväxt.

"I flyg- och rymdkompositer, det finns många polymerer som håller ihop kolfibrer, och nu kanske vi kan odla CNT direkt på polymermaterial, att bli starkare, tuffare, styvare kompositer, "säger Richard Li, studiens huvudförfattare och en doktorand vid MIT:s avdelning för luftfart och astronautik. "Att använda natrium som katalysator låser verkligen upp de typer av ytor du kan odla nanorör på."

Li:s MIT-medförfattare är postdoktorer Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan, och Kehang Cui; alumner Akira Kudo Ph.D. '16, Andrew Liotta '16, och Ananth Govind Rajan SM '16, Ph.D. '19; professor i kemiteknik Michael Strano, och professor i luftfart och astronautik Brian Wardle, tillsammans med medarbetare vid National Institute of Standards and Technology och Harvard University.

Skala lök

Under ett mikroskop, kolnanorör liknar ihåliga cylindrar av kycklingtråd. Varje rör är tillverkat av ett upprullat galler av sexkantigt anordnade kolatomer. Bindningen mellan kolatomer är utomordentligt stark, och när det mönstras till ett galler, såsom grafen, eller som ett rör, såsom ett CNT, sådana strukturer kan ha exceptionell styvhet och styrka, samt unika elektriska och kemiska egenskaper. Som sådan, forskare har undersökt att belägga olika ytor med CNT för att producera starkare, styvare, tuffare material.

Forskare odlar vanligtvis CNT på olika material genom en process som kallas kemisk ångavsättning. Ett material av intresse, såsom kolfibrer, är belagd i en katalysator-vanligtvis en järnbaserad förening-och placerad i en ugn, genom vilken koldioxid och andra kolhaltiga gaser strömmar. Vid temperaturer upp till 800 grader Celsius, järnet börjar dra kolatomer ur gasen, som lyser på järnatomerna och till varandra, så småningom bildar vertikala rör av kolatomer runt enskilda kolfibrer. Forskare använder sedan olika tekniker för att lösa upp katalysatorn, lämnar kvar rena kolnanorör.

Li och hans kollegor experimenterade med sätt att odla CNT på olika ytor genom att belägga dem med olika lösningar av järnhaltiga föreningar, när laget märkte att de resulterande kolnanorören såg annorlunda ut än vad de förväntade sig.

"Rören såg lite roliga ut, och Rich och teamet skalade försiktigt tillbaka löken, som det var, och det visar sig en liten mängd natrium, som vi misstänkte var inaktiva, orsakade faktiskt all tillväxt, "Säger Wardle.

Tuning natriums knoppar

För det mesta, järn har varit den traditionella katalysatorn för odling av CNT. Wardle säger att detta är första gången som forskare har sett natrium ha en liknande effekt.

"Natrium och andra alkalimetaller har inte undersökts för CNT -katalys, "Wardle säger." Detta arbete har lett oss till en annan del av det periodiska systemet. "

För att se till att deras första observation inte bara var en lycka, laget testade en rad natriumhaltiga föreningar. De experimenterade inledningsvis med natrium av kommersiell kvalitet, i form av bakpulver, bordssalt, och tvättmedelspellets, som de fick från campus närbutik. Så småningom, dock, de uppgraderade till renade versioner av dessa föreningar, som de löstes i vatten. De sänkte sedan ner en kolfiber i varje föreningen lösning, belägga hela ytan med natrium. Till sist, de placerade materialet i en ugn och utförde de typiska stegen som är involverade i den kemiska ångavsättningsprocessen för att odla CNT.

I allmänhet, de fann att medan järnkatalysatorer bildar kolnanorör vid cirka 800 grader Celsius, natriumkatalysatorerna kunde bildas korta, täta skogar av CNT vid mycket lägre temperaturer, cirka 480 C. Vad mer, efter att ytor spenderat cirka 15 till 30 minuter i ugnen, natriumet förångades helt enkelt, lämnar efter sig ihåliga kolnanorör.

"En stor del av CNT -forskningen handlar inte om att odla dem, men om att rengöra dem - få de olika metaller som används för att odla dem ur produkten, "Wardle säger." Det snygga med natrium är, vi kan bara värma det och bli av med det, och få ren CNT som produkt, vilket du inte kan göra med traditionella katalysatorer. "

Li säger att framtida arbete kan fokusera på att förbättra kvaliteten på CNT som odlas med natriumkatalysatorer. Forskarna observerade att medan natrium kunde generera skogar av kolnanorör, rörens väggar var inte perfekt inriktade i perfekt sexkantiga mönster-kristallliknande konfigurationer som ger CNT:er sin karakteristiska styrka. Li planerar att "ställa in olika knoppar" i CVD -processen, ändra tidpunkten, temperatur, och miljöförhållanden, för att förbättra kvaliteten på natriumodlade CNT.

"Det finns så många variabler du fortfarande kan spela med, och natrium kan fortfarande konkurrera ganska bra med traditionella katalysatorer, "Säger Li." Vi räknar med natrium, det är möjligt att få högkvalitativa rör i framtiden. Och vi har ganska stort förtroende för att även om du skulle använda vanlig Arm and Hammer bakpulver, det borde fungera."

För Shigeo Maruyama, professor i maskinteknik vid University of Tokyo, förmågan att tillaga CNT från en så vanlig ingrediens som natrium bör avslöja nya insikter om hur de exceptionellt starka materialen växer.

"Det är en överraskning att vi kan odla kolnanorör från bordsalt!" säger Maruyama, som inte var inblandad i forskningen. "Även om tillväxt av kemisk ångavsättning (CVD) av kolnanorör har studerats i mer än 20 år, ingen har försökt använda alkaligruppsmetall som katalysator. Detta kommer att vara en bra ledtråd för den helt nya förståelsen av tillväxtmekanismen för kolnanorör. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.