Cientistas da Rice University estão fazendo soluções de nanotubos de carbono que atuam como cristais líquidos como um precursor para puxá-los para fortes, fibras condutoras. Crédito:Martí Group
(Phys.org) —A própria ideia de fibras feitas de nanotubos de carbono é legal, mas os cientistas da Rice University estão tornando-os organizados - literalmente.
Os nanotubos de carbono de parede única em novas fibras criadas na Rice se alinham como um punhado de espaguete cru por meio de um processo projetado pelo químico Angel Martí e seus colegas.
A parte complicada, de acordo com Martí, cujo laboratório relatou seus resultados este mês no jornal ACS Nano , está mantendo os nanotubos densamente compactados separados antes de serem reunidos em uma fibra.
Deixados por conta própria, nanotubos de carbono formam aglomerados que são perfeitamente errados para se tornarem o tipo de forte, fibras condutoras necessárias para projetos que vão desde a eletrônica em nanoescala até redes de energia em macroescala.
Pesquisa anterior na Rice pelo químico e engenheiro químico Matteo Pasquali, um co-autor no novo artigo, usou um processo de dissolução de ácido para manter os nanotubos separados até que pudessem ser transformados em fibras. Agora Martí, Pasquali e seus colegas estão produzindo fibras "puras" com o mesmo processo mecânico, mas eles estão começando com um tipo diferente de matéria-prima.
"O grupo de Matteo usou ácido clorossulfônico para protonar a superfície dos nanotubos, "Martí disse." Isso daria a eles uma superfície carregada positivamente para que se repelissem na solução. A técnica que usamos é exatamente o oposto. "
A fibra de nanotubos de carbono puro tem potencial para uso em eletrônica de pequena escala e aplicações de energia em grande escala. Crédito:Jeff Fitlow
Um processo revelado no ano passado por Martí e os autores principais Chengmin Jiang, um estudante de graduação, e Avishek Saha, um ex-aluno do Rice, começa carregando negativamente os nanotubos de carbono, infundindo-os com potássio, um metal, e transformá-los em uma espécie de sal conhecido como polieletrólito. Eles então empregam éteres de coroa em forma de gaiola para capturar os íons de potássio que, de outra forma, diminuiriam a capacidade dos nanotubos de se repelirem.
Coloque nanotubos suficientes em tal solução e eles ficarão presos entre as forças repelentes e a incapacidade de se mover em um ambiente lotado, Disse Martí. Eles são forçados a se alinhar - uma propriedade definidora dos cristais líquidos - e isso os torna mais gerenciáveis.
Os tubos são finalmente forçados a formar fibras quando são extrudados através da ponta de uma agulha. Nesse ponto, a forte força de van der Waals assume e une fortemente os nanotubos, Disse Martí.
Mas para fazer materiais macroscópicos, a equipe de Martí precisava embalar muito mais nanotubos na solução do que em experimentos anteriores. "Conforme você começa a aumentar a concentração, o número de nanotubos na fase líquido-cristalina torna-se mais abundante do que aqueles na fase isotrópica (desordenada), e isso é exatamente o que precisávamos, "Martí disse.
Os pesquisadores descobriram que 40 miligramas de nanotubos por mililitro deram a eles um gel espesso depois de misturar em alta velocidade e filtrar quaisquer grandes aglomerados remanescentes. "É como uma centrífuga junto com um tambor rotativo, Martí disse sobre a engrenagem de mistura. "Ela produz forças não convencionais na solução."
Nanotubos de carbono extrudados em uma fibra pura são o produto de um processo sem ácido inventado na Rice University. Crédito:Martí Group
Alimentar este gel denso de nanotubo através de uma abertura estreita em forma de agulha produziu fibra contínua no equipamento do laboratório Pasquali. A resistência e rigidez das fibras puras também se aproximavam das fibras anteriormente produzidas com o processo à base de ácido de Pasquali. "Não fizemos nenhuma modificação em seu sistema e funcionou perfeitamente, "Martí disse.
As fibras da largura do cabelo podem ser tecidas em cabos mais grossos, e a equipe está investigando maneiras de melhorar suas propriedades elétricas por meio da dopagem dos nanotubos com iodeto. "A pesquisa é basicamente análoga ao que Matteo faz, "Martí disse." Usamos suas ferramentas, mas demos uma volta no processo com uma preparação diferente, então agora somos os primeiros a fazer fibras puras de eletrólitos de nanotubo de carbono puro. Isso é muito legal."
Pasquali disse que o sistema de fiação funcionou com pouca necessidade de adaptação porque o setup é selado. "A solução de eletrólito de nanotubo pode ser protegida do oxigênio e da água, o que teria causado a precipitação dos nanotubos, " ele disse.
"Acontece que isso não é um empecilho, porque queremos que os nanotubos precipitem e grudem uns nos outros assim que saiam do sistema selado pela agulha. O processo não foi difícil de controlar, adaptar e ampliar assim que descobrirmos a ciência básica. "
