Kolnanorör har visat lovande för allt från mikroelektronik till flyg till energilagring. Forskare tror att detta material en dag kan uppfylla science fiction-drömmen om att skapa en hiss till rymden.
Så varför används de inte oftare?
University of Cincinnati kemist Noe Alvarez sa att ett hinder har varit den frustrerande oförmågan att länka kolnanorör till metallytor i en robust anslutning för sensorer, transistorer och annan användning. Dessa ihåliga rör har en diameter på bara en miljarddels meter men kan bli många centimeter långa.
"Vi vill att våra experiment ska vara reproducerbara och konsekventa, men det är inte lätt möjligt med nanorör eftersom vi inte kan kontrollera hur väl de är anslutna till metallytor," sa han.
Men han och hans medarbetare har demonstrerat en ny kemisk process som ympar nanorör på metallytor för att skapa en stark, konsekvent, ledande länk. Studien publicerades i tidskriften Nanoscale Advances .
I tidigare iterationer spreds kolnanorör i en lösning för att göra vad Alvarez liknar med "våt spagetti" som fastnar på en metallyta.
"Men det finns ingen robust anslutning. Ingenting håller egentligen nanorören mot ytan", sa han.
Så mätningar av egenskaper som elektrisk ledningsförmåga var oprecisa och inkonsekventa.
Alvarez och hans forskningspartners vid Texas A&M University, ledda av kemiteknikprofessor Jorge Seminario, visade sätt att binda nanorör kemiskt till koppar, aluminium, guld och andra metallytor.
Alvarez och hans medarbetare fick ett anslag på $720 000 från National Science Foundation för att utveckla sin kemiska upptäckt under de kommande tre åren.
"Varför ser vi inte kolnanorör i utbredda kommersiella tillämpningar trots att de har så mycket potential? Vi har mycket att ta reda på", sa Chaminda Nawarathne, doktorand och studiehuvudförfattare vid UC.
Alvarez och hans medförfattare upptäckte genom beräkningar att kolatomer i den organiska länken faktiskt binder till två kopparatomer, vilket skapar en särskilt stark bindning.
"Det förklarar varför våra nanorör när de är kemiskt anslutna förblir anslutna", sa Alvarez.
Kolnanorör är notoriskt starka molekyler. Deras molekylära struktur skapar ett elegant hexagonalt gitter. "Kolbindningar är de starkaste bindningarna. De är kovalenta bindningar. Det är därför diamant är det hårdaste materialet eftersom de är kol-kolbindningar," sa Alvarez.
Medan kolatomer i diamanter är enkelbindningar, har kolnanorör konjugerade dubbelbundna atomer, vilket gör dem ännu starkare än diamanter.
Kablar gjorda av starka men lätta kolnanorör har föreställts för att skapa "rymdhissar" som kan transportera utrustning i omloppsbana, sa Alvarez. En rymdhiss avbildades i öppningsscenen av Brad Pitt-filmen "Ad Astra."
Men styrka är bara en av deras unika egenskaper.
Kolnanorör används för att skapa det svartaste syntetiska materialet på jorden. Alvarez sa att deras starka bindningar med metall kan leda till bättre färger och beläggningar.
"Nanorör är ganska inerta. De är mycket stabila. Du kan konjugera dem utan att bryta deras bindningar. Halvledande nanorör har också fluorescensegenskaper - de kan generera ljus," sa Alvarez. "Så listan över applikationer fortsätter och fortsätter."
Nawarathne sa att han söker efter potentiella tillämpningar inom energilagring.
"Nu när vi kan binda kolnanorören till en strömavtagare eller metallsond kan vi göra mycket stabila elektroder för superkondensatorer," sa Nawarathne.
UC kemistudenter "odlar" nanorör på kiselskivor med en process som kallas katalytisk kemisk ångavsättning i utrustning som värmer reagenser och en järnkatalysator till 1 450 °F.
"Det är glödhett", sa Alvarez och pekade på ett föremål som var synligt genom ett glasfönster i den ugnsstora maskinen. "Det är som en bakpanna. Katalysatorn går in här."
Efter 45 minuter dyker ett tunt lager av kolnanorör upp på kislet. Därifrån kunde forskare elektrografta nanorören på en mängd olika metallytor. Till en början använde de buntar av nanorör, men med förfinade processer inlärda kan de ansluta vertikalt inriktade nanorör.
"Det är som att försöka koppla tillbaka ull till ett får. Du har garn som har klippts av från fåren. Vi kan koppla individuella fibrer tillbaka till fåret kemiskt", sa han.
Mer information: Chaminda P. Nawarathne et al, Skapa kovalenta bindningar mellan Cu och C vid gränssnittet mellan metall/open-ended kolnanorör, Nanoscale Advances (2023). DOI:10.1039/D3NA00500C
Tillhandahålls av University of Cincinnati
