Kolnanorör (CNT) är en familj av 1D nanostrukturer med många verifierade applikationer, möjliggjort tack vare deras utmärkta mekaniska, optiska och ledande egenskaper. Dock, tillämpning av CNT hämmas av närvaron av arter med olika strukturer i råproduktionsblandningen, som skymmer unika egenskaper hos enskilda arter.

Det finns olika metoder för att separera CNT, men de är svåra att skala upp främst på grund av de höga kostnaderna för de inblandade reagenserna. I synnerhet, de flesta av dessa metoder utvecklades ursprungligen för att sortera proteiner, och antogs först nyligen för att separera CNT.

I det här pappret, författarna föreslår en ny, kostnadseffektiv separationsmetod, lämplig för industriell skala bearbetning av CNT. Separationsmetoden bygger på att CNTs tensidlösning passerar genom en kolonn fylld med kemiskt modifierad bomullsull.

En av de befintliga metoderna för separation, kallas selektiv gelpermeation, i sin essens är en grundläggande kolonnkromatografi. Nämligen, CNTs tensidlösning leds genom en kolonn, fyllda med pärlformade geler av agaros och/eller dextran med handelsnamnen Sepharose och Sephacryl. Både agaros och dextran är polysackarider gjorda av glukos eller glukosliknande byggenheter. Cellulosa är en naturlig polysackarid som består av samma strukturella enheter. Det är därför teamet bestämde sig för att prova detta material som ett kolonnfyllmedel för selektiv genomträngning.

Bomull är naturlig cellulosa, har stor ytarea på grund av den fibrösa strukturen. Medförfattare Timur Khamidullin, en Ph.D. student i Ayrat Dimievs grupp (Laboratory of Advanced Carbon Nanomaterials, Kazan Federal University) gjorde det första försöket med naturlig bomullsull köpt på ett lokalt apotek. Trots låg sorteringseffektivitet, det var någon registrerad separation, dvs bomull fungerade som kolonnfyllmedel. Inspirerad av resultatet, Ayrat Dimiev bestämde sig för att kemiskt modifiera bomullsullen för att ändra den kemiska naturen på dess yta. Resultaten var ännu högre än förväntningarna:detta gav mycket bättre separeringseffektivitet från första försöket. Det tog ytterligare ett och ett halvt år av den kollektiva gruppens ansträngningar att finjustera både kemisk modifiering av bomull, och förhållandet mellan ytaktiva ämnen i dispergerande och eluerande lösningar.

Användningen av modifierad bomullsull möjliggjorde uppnåendet av en separationsnivå som aldrig tidigare rapporterats för tubala CNTs. Dessutom, modifierad bomullsull är cirka 200 gånger billigare än agaros- och dextranbaserade hydrogeler, används för närvarande i den selektiva gelpermeationsseparationsmetoden. Metodens skalbarhet begränsas endast av diametern på separationskolonnen.

Det huvudsakliga bidraget till arbetet gjordes av gruppledaren Ayrat Dimiev, Ph.D. student Timur Khamidullin, och postdoktorerna Shamil Galyaltdinov och Artur Khannanov.

I råproduktionsblandningen, CNT:er av olika strukturer och egenskaper skymmer varandras värde. Industriell efterfrågan på separerade CNT kommer att dyka upp och växa under de kommande åren. CNT med metallisk konduktivitet kan användas i flexibla transparenta ledande filmer och till och med potentiellt ersätta metaller i ledningar. Halvledande CNT kan användas som transistorer och som plattformar för avbildning och riktad läkemedelsleverans på grund av deras distinkta och unika emission i IR-regionen. Således, effektiva metoder för att separera råa CNT-produktionsblandningar skulle öka tillämpningen av CNT på en ny vetenskaplig och teknisk nivå. Dessutom, Tillgången på färdiga separerade nanorör kommer att sporra sökandet efter nya riktningar för deras tillämpning.

Huvudområdet för det framtida arbetet är att ytterligare öka effektiviteten av separationen genom att finjustera separationsprocessens parametrar och strukturen hos den modifierade bomullsullen. Den optimala strukturen för den modifierade bomullsullen och villkoren för dess produktion är fortfarande inte helt förstått; denna fråga måste lösas till fullo. Efter att detta har uppnåtts, processen bör skalas till industriella kvantiteter, och separerade nanorör med olika typer av konduktivitet bör testas för praktiska lösningar.

Tidningen har gjorts tillgänglig online och kommer att publiceras i juni 2021.