p (PhysOrg.com) - Uma equipe de pesquisadores de nanotecnologia da Universidade de Maryland resolveu um dos desafios mais incômodos que dificultam o uso de nanomateriais de carbono para melhor armazenamento de energia elétrica ou aprimoramento das capacidades de detecção de fluorescência dos biossensores. Os resultados foram publicados na edição de 12 de julho da Nature Communications . p A pesquisa inovadora foi liderada pelo Professor Yu Huang Wang do Departamento de Química e Bioquímica e conduzida no Centro de Nanoestruturas para Armazenamento de Energia Elétrica da universidade (um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia), Northwestern University, e o Maryland NanoCenter.

p Os nanotubos de carbono (CNTs) são reconhecidos como tendo um enorme potencial. Eles são algumas das estruturas mais condutoras já feitas - eletrodos altamente eficientes com enorme área de superfície. Para aproveitar ao máximo essas propriedades, Contudo, Os CNTs devem ser solúveis, ou seja, têm a capacidade de se dispersar em um ambiente líquido ou de revestir uniformemente um material composto sólido. Infelizmente, em seu estado bruto, os CNTs são insolúveis; eles se agrupam em vez de se dispersar.

p Por mais de uma década, pesquisadores têm desenvolvido novos processos químicos para enfrentar esse desafio. Uma ideia é criar defeitos permanentes nas superfícies dos CNTs e "funcionalizá-los" para que sejam solúveis. Infelizmente, isso também tem o efeito colateral indesejado de destruir rapidamente as propriedades elétricas e ópticas dos CNTs.

p Wang e sua equipe desenvolveram um novo processo de funcionalização para CNTs que oferece solubilidade e preserva as propriedades elétricas e ópticas. Eles funcionalizam propositalmente defeitos nos tubos em locais úteis, não aleatórios, criando "grupos funcionais" estratégicos. Esses grupos moleculares cuidadosamente colocados permitem que os CNTs se dispersem prontamente, mantendo suas propriedades ópticas e capacidade de conduzir corrente elétrica em grandes regiões ao longo do tubo.

p O desafio tem sido controlar as reações químicas que produzem os grupos funcionais nos CNTs. Usando um processo químico chamado alquilcarboxilação redutiva Billups-Birch, A equipe de Wang descobriu que poderia adicionar progressivamente novos grupos funcionais à parede do CNT de forma controlada, sem introduzir novos defeitos indesejados.

p Quando os CNTs são imersos em uma solução química por um período de tempo específico, os grupos funcionalizados nos nanotubos se alongam em uma quantidade previsível. Cada vez que o processo é repetido, ou conforme o tempo na solução aumenta, as seções ficam mais longas. Quando os CNTs são vistos em um especial, microscópio eletrônico de alta ampliação, é evidente que a funcionalização progrediu longitudinalmente ao longo do tubo.

p A propagação pode iniciar de defeitos de ocorrência natural ou introduzidos intencionalmente. Como o mecanismo de propagação confina a reação e controla estrategicamente onde os grupos funcionais crescem, A equipe de Wang pode produzir grupos funcionais agrupados de forma controlada, taxa de propagação constante. É o primeiro processo de química úmida claramente estabelecido que faz isso.

p A descoberta torna possível criar novas estruturas funcionais, como nanotubos "em faixas" com segmentos alternados de regiões funcionalizadas e intactas. As regiões funcionalizadas evitam que os CNTs se aglutinem, tornando-os entre os CNTs mais solúveis em água conhecidos. Ao mesmo tempo, as bandas intactas, regiões não funcionalizadas dos CNTs permitem que as propriedades elétricas e ópticas sejam retidas.

p "Isso é importante para o uso futuro desses materiais em baterias e células solares, onde se busca uma coleta e transporte eficientes de carga, "Wang explica." Esses CNTs também podem ser usados ​​como sensores bioquímicos altamente sensíveis por causa de sua absorção óptica nítida e fluorescência de longa duração nas regiões próximas ao infravermelho, onde os tecidos são quase opticamente transparentes.

p "Este é um passo importante para a construção de nanoestruturas controladas necessárias para compreender a ciência eletroquímica e seu valor para soluções de energia, "diz o diretor do NanoCenter da Universidade de Maryland, Professor Gary Rubloff, colaborador do projeto.