Los cristales de nanotubos de carbono ultradelgados podrían tener usos maravillosos, como convertir el calor residual en electricidad con una eficiencia casi perfecta, y los ingenieros de la Universidad de Rice han dado un gran paso hacia ese objetivo.
El último paso continúa una historia que comenzó en 2013, cuando Junichiro Kono de Rice y sus estudiantes descubrieron un método innovador para hacer que los nanotubos de carbono se alineen en películas delgadas en una membrana de filtro.
Los nanotubos son largos, huecos y notoriamente propensos a enredos. Imagine una manguera de jardín de docenas de millas de largo, luego reduzca el diámetro de la manguera al ancho de unos pocos átomos. Cualquiera que haya luchado con una manguera anudada puede apreciar la hazaña de Kono: Él y sus alumnos habían convertido una multitud de nanotubos rebeldes en un colectivo bien ordenado. Por su propia cuenta, y por miles de millones, los nanotubos estaban recostados de lado a lado, como espaguetis secos en una caja.
¿El problema? Kono y sus alumnos no tenían idea de por qué estaba sucediendo.
"Fue mágico. Quiero decir, realmente misterioso", dijo Kono, un ingeniero eléctrico, físico aplicado y científico de materiales que ha estudiado nanotubos de carbono durante más de dos décadas. "No teníamos idea de lo que realmente estaba sucediendo a escala microscópica".. Y lo más importante, ni siquiera sabíamos en qué dirección se alinearían los nanotubos ".
Él y su equipo publicaron sus hallazgos en 2016, y el campo pesó con posibles explicaciones. La respuesta, como se describe en un nuevo artículo del equipo de Kono y sus colaboradores en Japón, es inesperada y simple: pequeños surcos paralelos en el filtropapel, un artefacto del proceso de producción del papel, causa la alineación de los nanotubos. La investigación está disponible en línea en la revista American Chemical Society Nano letras .
Kono dijo que un estudiante graduado en su laboratorio, el autor principal del estudio Natsumi Komatsu, fue el primero en notar los surcos y asociarlos con la alineación de nanotubos.
"Descubrí que cualquier papel de membrana de filtro comprado comercialmente utilizado para esta técnica tiene estas ranuras", dijo Komatsu. "La densidad de las ranuras varía de un lote a otro. Pero siempre hay ranuras".
Para formar las películas cristalinas 2D, los investigadores primero suspenden una mezcla de nanotubos en una solución de surfactante de agua. El tensioactivo jabonoso recubre los nanotubos y actúa como desenredante. En 2013, los estudiantes de Kono estaban usando filtración al vacío para extraer estas mezclas a través de la membranapapel de filtro. El líquido pasó a través de la membrana de papel, dejando una película de nanotubos alineados en la parte superior.
En un conjunto exhaustivo de experimentos, Komatsu y sus colegas, incluido el investigador postdoctoral del grupo Kono Saunab Ghosh, mostraron que la alineación de los nanotubos en estas películas correspondía a ranuras paralelas y submicroscópicas en el papel. Las ranuras probablemente se forman cuando se tira del papel de filtroen rollos en la fábrica, dijo Kono.
Komatsu examinó docenas de muestras de papel de filtro y usó microscopios electrónicos de barrido y microscopios de fuerza atómica para caracterizar surcos y patrones de surcos. Cortó los filtros en pedazos, volvió a ensamblar los pedazos con surcos orientados en diferentes direcciones y mostró que producían películas con alineamientos coincidentes.
Komatsu y sus colegas también usaron calor y presión para quitar las ranuras del papel de filtro, usando los mismos principios involucrados en planchar las arrugas de la ropa. Mostraron que las películas hechas con papel sin ranuras tenían nanotubos alineados en varias direcciones.
Finalmente, comenzando con papel sin surcos, demostraron que podían usar una rejilla reflectante muy fina con surcos periódicos para crear sus propios patrones de surcos y que las películas de nanotubos correspondientes siguieron esos patrones.
Kono dijo que el método es emocionante porque brinda un nivel de previsibilidad necesario para la producción de películas de nanotubos cristalinos 2D.
"Si los nanotubos están orientados aleatoriamente, se pierden todas las propiedades unidimensionales", dijo Kono. "Ser unidimensional es clave. Lleva a todas las propiedades inusuales pero importantes".
Si bien las películas del grupo Kono son esencialmente 2D, tanto como una pulgada de diámetro pero solo unas pocas billonésimas de metro de espesor, los nanotubos individuales se comportan como materiales 1D, especialmente en términos de sus propiedades ópticas y electrónicas.
Las extraordinarias propiedades ópticas y electrónicas de los nanotubos de carbono dependen de su diámetro y estructura, o quiralidad. Algunas quiralidades actúan como metales y otras como semiconductores, y los investigadores han luchado durante décadas para encontrar una manera de hacer objetos macroscópicos grandes como un alambreo una de las películas de 1 pulgada de diámetro de Kono puramente de nanotubos con un diámetro y quiralidad.
"Ese es obviamente el siguiente paso", dijo Ghosh. "En este estudio, todavía usamos una mezcla de nanotubos de carbono metálicos y semiconductores con una distribución de diámetro. El siguiente paso es aplicar este nuevo método basado en la fabricación intencional de ranuras utilizandouna rejilla para lograr el control total de la dirección de alineación "
Kono dijo que su equipo ha hecho cristales 2D altamente alineados a partir de soluciones con una mezcla diversa de nanotubos.
"Pero cuando vamos a una solución de quiralidad única, nunca quedamos satisfechos con la alineación", dijo. "Ahora, con este conocimiento de los surcos, estamos seguros de que podemos mejorar el grado de alineación en el caso de una sola-calidades de nanotubos de carbono de película "
Las películas de quiralidad simple podrían abrir la puerta a aplicaciones con un potencial alucinante, por ejemplo, láminas de carbono puro que convierten el calor en luz con una eficiencia casi perfecta. Unir dicha lámina a un material fotovoltaico podría proporcionar una manera de convertirse calienta en energía eléctrica de manera muy eficiente, creando la posibilidad de que los radiadores enfríen tanto los motores como la electrónica al mismo tiempo que los alimentan.
El laboratorio de Kono y el grupo de investigación de Gururaj Naik de Rice demostraron el concepto en un artículo de 2019 sobre películas de nanotubos de carbono hiperbólicos.
Las películas cristalinas de quiralidad simple también podrían usarse para estudiar nuevos estados de la materia, como los polaritones de excitón y los condensados de Bose-Einstein, y para aplicaciones que aún no se han previsto, dijo Kono.
"En este momento, solo un pequeño número de grupos en el mundo puede hacer estas películas de nanotubos de carbono alineadas, muy densas y muy compactas", dijo. "Y el trabajo que acabamos de terminar, el trabajo asistido por ranura, ofrece máscontrol. Esto conducirá a mejores películas, nuevas aplicaciones y nuevas ciencias. Estamos muy entusiasmados "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :