Nanomaterialforskare i Finland, USA och Kina har skapat en färgatlas för 466 unika varianter av enkelväggiga kolnanorör.

Nanorörsfärgatlasen beskrivs i detalj i en studie i Avancerade material om en ny metod för att förutsäga de specifika färgerna på tunna filmer gjorda genom att kombinera någon av de 466 varianterna. Forskningen utfördes av forskare från Aalto-universitetet i Finland, Rice University och Peking University i Kina.

"Kol, som vi ser som svart, kan verka genomskinlig eller anta vilken regnbågsfärg som helst, " sa Aalto-fysikern Esko I. Kauppinen, motsvarande författare till studien. "Lakanet ser svart ut om ljuset absorberas helt av kolnanorören i arket. Om mindre än ungefär hälften av ljuset absorberas i nanorören, arket ser genomskinligt ut. När nanorörens atomära struktur bara orsakar vissa ljusfärger, eller våglängder, att absorberas, de våglängder som inte absorberas reflekteras som synliga färger."

Kolnanorör är långa, ihåliga kolmolekyler, liknande till formen som en trädgårdsslang, men med sidor bara en atom tjocka och diametrar cirka 50, 000 gånger mindre än ett människohår. De yttre väggarna på nanorör är gjorda av rullad grafen. Och omslagsvinkeln för grafen kan variera, ungefär som vinkeln på en rulle julklappspapper. Om presentpappret rullas försiktigt, i noll vinkel, ändarna av papperet kommer att vara i linje med varje sida av presentförpackningsröret. Om papperet lindas slarvigt, i vinkel, papperet kommer att hänga över i ena änden av röret.

Atomstrukturen och det elektroniska beteendet för varje kolnanorör dikteras av dess omlindningsvinkel, eller kiralitet, och dess diameter. De två egenskaperna representeras i en "(n, m)" numreringssystem som katalogiserar 466 varianter av nanorör, var och en med en karakteristisk kombination av kiralitet och diameter. Varje (n, m) typ av nanorör har en karakteristisk färg.

Kauppinens forskargrupp har studerat kolnanorör och tunna filmer av nanorör i flera år, och det har tidigare lyckats bemästra tillverkningen av färgade nanorörs tunna filmer som verkade gröna, brun och silvergrå.

I den nya studien, Kauppinens team undersökte förhållandet mellan spektrumet av absorberat ljus och den visuella färgen hos olika tjocklekar av torra nanorörsfilmer och utvecklade en kvantitativ modell som entydigt kan identifiera färgningsmekanismen för nanorörsfilmer och förutsäga de specifika färgerna på filmer som kombinerar rör med olika inneboende färger och (n, m) beteckningar.

Risingenjören och fysikern Junichiro Kono, vars labb löste mysteriet med färgglada nanorör för fåtöljer 2012, tillhandahållit filmer gjorda enbart av (6, 5) nanorör som användes för att kalibrera och verifiera Aalto-modellen. Forskare från Aalto och Peking University använde modellen för att beräkna absorptionen av risfilmen och dess visuella färg. Experiment visade att filmens uppmätta färg överensstämde ganska nära med modellens färgprognos.

Aalto-modellen visar att tjockleken på en nanorörsfilm, samt färgen på nanorör den innehåller, påverka filmens absorption av ljus. Aaltos atlas med 466 färger av nanorörsfilmer kommer från att kombinera olika rör. Forskningen visade att de tunnaste och mest färgstarka rören påverkar synligt ljus mer än de med större diametrar och bleka färger.

"Eskos grupp gjorde ett utmärkt jobb med att teoretiskt förklara färgerna, kvantitativt, vilket verkligen skiljer detta arbete från tidigare studier om nanorörsfluorescens och färgning, " sa Kono.

Sedan 2013, Konos labb har banat väg för en metod för att göra högt beställda 2-D nanorörsfilmer. Kono sa att han hade hoppats kunna förse Kauppinens team med högt beställda 2-D kristallina filmer av nanorör av en enda kiralitet.

"Det var den ursprungliga idén, men tyvärr, vi hade inte lämpliga filmer i linje med singelkiralitet vid den tiden, " Sa Kono. "I framtiden, vårt samarbete planerar att utöka detta arbete till att studera polarisationsberoende färger i högt ordnade 2-D kristallina filmer."

Den experimentella metod Aalto-forskarna använde för att odla nanorör för sina filmer var densamma som i deras tidigare studier:Nanorör växer från kolmonoxidgas och järnkatalysatorer i en reaktor som är uppvärmd till mer än 850 grader Celsius. Tillväxten av nanorör med olika färger och (n, m) beteckningar regleras med hjälp av koldioxid som tillförs reaktorn.

"Sedan den tidigare studien, vi har funderat på hur vi kan förklara uppkomsten av nanorörens färger, " sa Peking University Professor Nan Wei, som tidigare arbetat som postdoktor vid Aalto. "Av allotroperna av kol, grafit och träkol är svarta, och rena diamanter är färglösa för det mänskliga ögat. Dock, nu märkte vi att enkelväggiga kolnanorör kan anta vilken färg som helst:till exempel, röd, blå, grön eller brun."

Kauppinen sa att färgade tunna filmer av nanorör är böjliga och formbara och kan vara användbara i färgade elektronikstrukturer och i solceller.

"Färgen på en skärm kan modifieras med hjälp av en taktil sensor i mobiltelefoner, andra pekskärmar eller ovanpå fönsterglas, till exempel, " han sa.

Kauppinen sa att forskningen också kan ge en grund för nya typer av miljövänliga färgämnen.