Почему углеродные нанотрубки выстраиваются? Они в паз

Ультратонкие углеродные нанотрубки кристаллы могут иметь совершенно использует, как преобразование сбросовое тепло в электрическую энергию с почти идеальной эффективностью, и инженеры из Университета Райса сделали большой шаг к этой цели.

Последним шагом продолжает историю, которая началась в 2013 году, когда Райс Юничиро Коно и его ученики открыли инновационное способ получения углеродных нанотрубок выстраиваются в тонкие пленки на мембране фильтра.

Нанотрубки-длинные, полые и заведомо клубок подверженных. Представьте себе садовый шланг, что десятки миль в длину, затем уменьшить диаметр шланга шириной в несколько атомов. Любой, кто когда-либо боролся с узлом шланга могут оценить подвиг Коно: он и его ученики превратили толпу недисциплинированных нанотрубок в хорошо организованном коллективе. По собственному желанию, и миллиарды, нанотрубки охотно лежа бок о бок, как сухие спагетти в коробке.

Проблема? Коно и его учеников не имел понятия, почему это происходит.

«Это было волшебно. Я имею в виду, действительно загадочная», — сказал Коно, инженер-электрик, прикладной физик и ученый материалами, которые изучал углеродных нанотрубок на протяжении более двух десятилетий. «Мы понятия не имели, что на самом деле происходит на микроскопическом масштабе. И самое главное, мы даже не знаем, в каком направлении, что нанотрубки будут выравниваться.»

Он и его команда опубликовали результаты своих исследований в 2016, и в поле взвешивают с возможными объяснениями. Ответ, как это описано в новой статье команды Коно и коллаборационистов в Японии, как неожиданно и просто: крохотные параллельные пазы в фильтровальная бумага — артефакт процесс производства бумаги-вызывают выравнивание нанотрубок. Исследования доступна на сайте Американского химического общества журнал нано буквы.

Коно сказал аспиранта в его лаборатории, ведущий автор исследования Нацуми Комацу, был первым, чтобы заметить пазы и связывать их с выравнивание нанотрубок.

«Я обнаружил, что любой коммерчески приобретенных мембраны фильтровальной бумаги, используемые для этой техники и этих канавок», — сказал Комацу. «Плотность канавок варьируется от партии к партии. Но всегда есть пазы».

Для того чтобы сформировать 2Д кристаллических пленок, исследователи сначала заморозить смесь нанотрубок в водно-поверхностно-активное вещество раствора. В soaplike сурфактант покрывает нанотрубки и выступает в качестве средства. В 2013 году студенты Коно были с помощью вакуумной фильтрации, чтобы привлечь этих смесей через мембраны фильтровальной бумагой. Жидкость пропускают через бумажные мембраны, оставляя пленку из нанотрубок, выровненных сверху.

В исчерпывающий набор экспериментов, Komatsu и коллег, в том числе научный сотрудник группы Коно докторской Saunab Гоша, показал, что выравнивание нанотрубок в этих фильмах соответствует параллельный, микроскопические канавки на бумаге. Пазы вероятной форме когда фильтровальная бумага потянуло на роллы на заводе, Коно сказал.

Комацу обследовал десятки образцов фильтровальной бумагой и использовали сканирующий электронный микроскопы и атомно-силовые микроскопы для характеристики бороздки и узоры канавок. Она разрезала фильтров на куски, собрал куски с пазами, направленными в разные стороны и показывал им фильмы с совпадающими трассами.

Komatsu и коллеги тоже используют тепло и давление, чтобы убрать канавки от фильтровальную бумагу, используя те же принципы, гладильные морщины из одежды. Они показали, что пленки с пазом-бесплатная газета нанотрубки ориентированы в нескольких направлениях.

Наконец, начиная с ПАЗ-свободная бумага, они показали, что они могут использовать очень мелкие светоотражающие решетки с периодическими канавками для создания собственных моделей канавок и соответствующей нанотрубки фильмов с последующим их изменения.

Коно сказал, что этот метод является захватывающим, потому что это приносит необходимый уровень предсказуемости для производства 2D кристаллический нанотрубных пленок.

«Если нанотрубки ориентированы произвольно, вы потеряете всех одномерных объектов», — сказал Коно. «Будучи одномерным является ключевым. Это приводит к все необычные, но важные свойства».

Хотя фильмы группы Коно, по сути, 2Д — примерно дюйма в диаметре, но всего несколько миллиардных долей метра толщиной — отдельные нанотрубки ведут себя как 1Д материалами, особенно с точки зрения их оптических и электронных свойств.

Необыкновенные оптические и электронные свойства углеродных нанотрубок зависят от их диаметра и структуры, или хиральность. Некоторые chiralities действовать, как металлы и другие подобные полупроводники, и исследователи бились в течение многих десятилетий, чтобы найти способ, чтобы сделать большие, макроскопические объекты, такие как провода или один из Коно 1-дюймовый диаметр фильмов чисто нанотрубок с одного диаметра и хиральности.

«Очевидно, что это следующий шаг», — сказал Гоша. «В этом исследовании, мы до сих пор используются смеси металлических и полупроводниковых углеродных нанотрубок с распределением диаметра. Следующий шаг-применить этот новый метод на основе преднамеренного создания углублений, используя решетку, чтобы добиться полного контроля направления выравнивания».

Коно заявил, что его команда сильно выровнены в 2D кристаллов из растворов с различной смеси нанотрубок.

«Но когда мы идем к одному-хиральность решение, мы никогда не были довольны таким раскладом», — сказал он. «Теперь, с этим знанием канавок, мы уверены, мы можем улучшить степень согласованности в случае один-хиральность нанотрубки пленок под карбон.»

Один-хиральность фильмы могли бы открыть двери для применения с ошеломляющие потенциал, например, постельное белье из чистого углерода, которые превращают тепло в свет с почти идеальной эффективностью. Женившись на такой лист фотогальванический материал может обеспечить способ превратить тепло очень эффективно в электрическую, создавая возможность радиаторами, которые как охлаждают двигатели и электроника, а также приводит их в действие.

Лаборатории Коно и исследовательской группы Гурурадж Райс Найк продемонстрировал концепцию для этого в документе 2019 о гиперболических нанотрубных пленок под карбон.

Один-хиральность кристаллические пленки также могут быть использованы для исследования новых состояний материи, таких как экситонные поляритоны и конденсатов Бозе-Эйнштейна, и для приложений, которые еще не были предусмотрены, Коно сказал.

«На данный момент лишь небольшое число групп в мире могут сделать эти выровненные, очень плотные, хорошо упакованные нанотрубных пленок под карбон», — сказал он. «И эту работу мы закончили, ПАЗ-вспомогательной работы, предлагает больше контроля. Это приведет к лучшему фильмы, новые приложения и новые науки. Мы очень рады».

сделать разницу: спонсорские возможности