En sammansatt video visar de olika sätt som forskare från Rice University bearbetar kolnanorör med ett nytt lösningsmedel. Lösningsmedlet förenklar produktionen av nanorörsfibrer men möjliggör också nanorörsfilmer och roll-to-roll-produktion, samt nanorörsfärger för 3D- och silkscreentryck. Kredit:Pasquali Research Group/Rice University
Kolnanorör som är benägna att trassla ihop sig som spagetti kan använda lite speciell sås för att realisera sin fulla potential.
Forskare från Rice University har kommit på just såsen, ett syrabaserat lösningsmedel som förenklar bearbetning av kolnanorör på ett sätt som är lättare att skala upp för industriella tillämpningar.
Matteo Pasqualis rislabb rapporterade i Science Advances på sin upptäckt av en unik kombination av syror som hjälper till att separera nanorör i en lösning och förvandla dem till filmer, fibrer eller andra material med utmärkta elektriska och mekaniska egenskaper.
Studien som leds av doktorand alumn Robert Headrick och doktorand Steven Williams rapporterar att lösningsmedlet är kompatibelt med konventionella tillverkningsprocesser. Det borde hjälpa den att hitta en plats i produktionen av avancerade material för många applikationer.
"Det finns en växande insikt om att det förmodligen inte är en bra idé att öka brytningen av koppar och aluminium och nickel", säger Pasquali, A.J. Hartsook Professor och professor i kemisk och biomolekylär teknik, kemi och materialvetenskap och nanoteknik. Han är också chef för den Rice-baserade Carbon Hub, som främjar utvecklingen av avancerade kolmaterial till nytta för miljön.
"Men det finns den här jättemöjligheten att använda kolväten som vår malm", sa han. "I det ljuset måste vi bredda så mycket som möjligt intervallet där vi kan använda kolmaterial, särskilt där det kan ersätta metaller med en produkt som kan tillverkas hållbart från ett råmaterial som kolväten." Pasquali noterade att dessa tillverkningsprocesser också producerar rent väte.
"Kol är rikligt, vi kontrollerar leveranskedjorna och vi vet hur vi ska få ut det på ett miljömässigt ansvarsfullt sätt", sa han.
Ett bättre sätt att bearbeta kol kommer att hjälpa. Lösningsmedlet är baserat på metansulfonsyra (MSA), p-toluensulfonsyra (pToS) och oleumsyror som, när de kombineras, är mindre frätande än de som för närvarande används för att bearbeta nanorör i en lösning. Att separera nanorör (som forskare kallar upplösning) är ett nödvändigt steg innan de kan extruderas genom en nål eller annan anordning där skjuvkrafter hjälper till att förvandla dem till välbekanta fibrer eller ark.
Oleum och klorsulfonsyror har länge använts för att lösa upp nanorör utan att modifiera deras struktur, men båda är mycket frätande. Genom att kombinera oleum med två svagare syror utvecklade teamet en brett användbar process som möjliggör ny tillverkning av nanorörsprodukter.
"Oleumet omger varje enskilt nanorör och ger det en mycket lokaliserad positiv laddning", säger Headrick, nu forskare vid Shell. "Den laddningen får dem att stöta bort varandra."
Efter att ha löst ut, separerar de mildare syrorna nanorören ytterligare. De fann att MSA är bäst för fiberspinning och rull-till-rulle-filmproduktion, medan pToS, ett fast material som smälter vid 40 grader Celsius (104 grader Fahrenheit), är särskilt användbart för 3D-utskriftsapplikationer eftersom det tillåter att nanorörslösningar kan bearbetas vid en måttlig temperatur och stelnade sedan genom kylning.
Forskarna använde dessa stabila flytande kristallina lösningar för att göra saker på både moderna och traditionella sätt, 3D-utskrift av kolnanorörs-aerogeler och silkscreentryckmönster på en mängd olika ytor, inklusive glas.
Ett Rice University-labb utvecklade ett lösningsmedel som möjliggör nya tillämpningar för kolnanorör. Här används ett nanorörsbläck tillverkat med processen i traditionellt silkscreentryck. Kredit:Pasquali Research Group/Rice University
Lösningarna möjliggjorde också roll-to-roll-produktion av transparenta filmer som kan användas som elektroder. "Ärligt talat var det lite förvånande hur bra det fungerade," sa Headrick. "Det blev ganska felfritt vid första försöket."
Forskarna noterade att oleum fortfarande kräver noggrann hantering, men när den väl späds ut med de andra syrorna är lösningen mycket mindre aggressiv mot andra material.
"Syrorna vi använder är så mycket skonsammare att du kan använda dem med vanliga plaster," sa Headrick. "Det öppnar dörren till många materialbearbetnings- och trycktekniker som redan finns på plats i tillverkningsanläggningar.
"Det är också väldigt viktigt för att integrera kolnanorör i andra enheter, deponera dem som ett steg i en enhetstillverkningsprocess", sa han.
De rapporterade att de mindre frätande lösningarna inte avgav skadliga ångor och var lättare att städa upp efter produktion. MSA och pToS kan också återvinnas efter bearbetning av nanorör, vilket minskar deras miljöpåverkan och energi- och bearbetningskostnader.
Williams sa att nästa steg är att finjustera lösningsmedlet för applikationer och att bestämma hur faktorer som kiralitet och storlek påverkar nanorörsbehandling. "Det är verkligen viktigt att vi har högkvalitativa, rena rör med stor diameter", sa han.
En 3D-printad cylinder är helt gjord av kolnanorörsbläck som utvecklats vid Rice University. Rice lab gjorde bläcket med ett skonsammare, industrivänligt lösningsmedel som kommer att möjliggöra fler användningsområden för nanorör i material. Kredit:Pasquali Research Group/Rice University
Medförfattare till uppsatsen är alumnen Lauren Taylor och doktoranderna Oliver Dewey och Cedric Ginestra från Rice; doktorand Crystal Owens och professorerna Gareth McKinley och A. John Hart vid Massachusetts Institute of Technology; alumnen Lucy Liberman, doktorand Asia Matatyaho Ya'akobi och Yeshayahu Talmon, professor emeritus i kemiteknik, vid Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel; och Benji Maruyama, autonoma material som leder i material- och tillverkningsdirektoratet, Air Force Research Laboratory. + Utforska vidare
