p Cristais ultrafinos de nanotubos de carbono podem ter usos maravilhosos, como converter calor residual em eletricidade com eficiência quase perfeita, e os engenheiros da Rice University deram um grande passo em direção a esse objetivo. p A última etapa continua uma história que começou em 2013, quando Junichiro Kono, de Rice, e seus alunos descobriram um método inovador para fazer nanotubos de carbono se alinharem em filmes finos em uma membrana de filtro.

p Os nanotubos são longos, oco e notoriamente sujeito a emaranhados. Imagine uma mangueira de jardim com dezenas de quilômetros de comprimento, em seguida, reduza o diâmetro da mangueira até a largura de alguns átomos. Qualquer pessoa que já lutou com uma mangueira com nós pode apreciar a façanha de Kono:ele e seus alunos transformaram uma multidão de nanotubos indisciplinados em um coletivo bem organizado. Por conta própria, e pelos bilhões, nanotubos estavam dispostos deitados lado a lado, como espaguete seco em uma caixa.

p O problema? Kono e seus alunos não tinham ideia do por que isso estava acontecendo.

p "Foi mágico. Quero dizer, realmente misterioso, "disse Kono, um engenheiro eletricista, físico aplicado e cientista de materiais que estudou nanotubos de carbono por mais de duas décadas. "Não tínhamos ideia do que realmente estava acontecendo em uma escala microscópica. E o mais importante, nem sabíamos em que direção os nanotubos se alinhariam. "

p Ele e sua equipe publicaram suas descobertas em 2016, e o campo ponderado com possíveis explicações. A resposta, conforme descrito em um novo artigo da equipe e colaboradores de Kono no Japão, é inesperado e simples:pequenas ranhuras paralelas no papel de filtro - um artefato do processo de produção do papel - causam o alinhamento do nanotubo. A pesquisa está disponível online na revista American Chemical Society. Nano Letras .

p Kono disse que um estudante de pós-graduação em seu laboratório, o autor principal do estudo, Natsumi Komatsu, foi o primeiro a notar as ranhuras e associá-las ao alinhamento dos nanotubos.

p "Descobri que qualquer papel de membrana de filtro comprado comercialmente usado para esta técnica tem essas ranhuras, "Komatsu disse." A densidade das ranhuras varia de lote para lote. Mas sempre há sulcos. "

p Para formar os filmes cristalinos 2-D, os pesquisadores primeiro suspendem uma mistura de nanotubos em uma solução surfactante de água. O surfactante semelhante a uma camada de espuma reveste os nanotubos e atua como um desembaraçador. Em 2013, Os alunos de Kono estavam usando filtração a vácuo para extrair essas misturas através de papel de filtro de membrana. O líquido passou pela membrana de papel, deixando um filme de nanotubos alinhados no topo.

p Em um conjunto exaustivo de experimentos, Komatsu e colegas, incluindo o pesquisador de pós-doutorado do grupo Kono Saunab Ghosh, mostraram que o alinhamento dos nanotubos nestes filmes correspondia ao paralelo, sulcos submicroscópicos no papel. As ranhuras provavelmente se formam quando o papel de filtro é puxado para os rolos na fábrica, Kono disse.

p Komatsu examinou dezenas de amostras de papel de filtro e usou microscópios eletrônicos de varredura e microscópios de força atômica para caracterizar ranhuras e padrões de ranhuras. Ela cortou os filtros em pedaços, remontaram as peças com ranhuras voltadas para diferentes direções e mostraram que produziram filmes com alinhamentos correspondentes.

p Komatsu e colegas também usaram calor e pressão para remover as ranhuras do papel de filtro, usando os mesmos princípios envolvidos em engomar as rugas de roupas. Eles mostraram que os filmes feitos com papel sem sulcos tinham nanotubos alinhados em várias direções.

p Finalmente, começando com papel sem ranhura, eles mostraram que podiam usar uma grade reflexiva muito fina com ranhuras periódicas para criar seus próprios padrões de ranhuras e que os filmes de nanotubos correspondentes seguiam esses padrões.

p Kono disse que o método é empolgante porque traz um nível necessário de previsibilidade para a produção de filmes de nanotubos cristalinos 2-D.

p "Se os nanotubos forem orientados aleatoriamente, você perde todas as propriedades unidimensionais, "Kono disse." Ser unidimensional é a chave. Isso leva a todas as propriedades incomuns, mas importantes. "

p Embora os filmes do grupo Kono sejam essencialmente 2-D - com até uma polegada de diâmetro, mas apenas alguns bilionésimos de um metro de espessura - os nanotubos individuais se comportam como materiais 1D, especialmente em termos de suas propriedades ópticas e eletrônicas.

p As extraordinárias propriedades ópticas e eletrônicas dos nanotubos de carbono dependem de seu diâmetro e estrutura, ou quiralidade. Algumas quiralidades agem como metais e outras como semicondutores, e os pesquisadores têm lutado por décadas para encontrar uma maneira de fazer grandes, objetos macroscópicos como um fio ou um dos filmes de diâmetro de 1 polegada de Kono puramente de nanotubos com um diâmetro e quiralidade.

p "Essa é obviamente a próxima etapa, "Ghosh disse." Neste estudo, ainda usamos uma mistura de nanotubos de carbono metálicos e semicondutores com distribuição de diâmetro. O próximo passo é aplicar este novo método baseado na criação intencional de ranhuras usando uma grade para obter o controle total da direção de alinhamento. "

p Kono disse que sua equipe fez cristais 2-D altamente alinhados a partir de soluções com uma mistura diversa de nanotubos.

p "Mas quando vamos para uma solução de quiralidade única, nunca ficamos satisfeitos com o alinhamento, "disse ele." Agora, com este conhecimento de ranhuras, estamos confiantes de que podemos melhorar o grau de alinhamento no caso de filmes de nanotubo de carbono de quiralidade única. "

p Filmes de quiralidade única podem abrir a porta para aplicações com potencial incompreensível, por exemplo, folhas de carbono puro que convertem calor em luz com eficiência quase perfeita. Casar tal folha com um material fotovoltaico pode fornecer uma maneira de transformar calor em energia elétrica de forma muito eficiente, criando a possibilidade de radiadores que resfriam motores e componentes eletrônicos, ao mesmo tempo que os alimentam.

p O laboratório de Kono e o grupo de pesquisa de Gururaj Naik de Rice demonstraram o conceito para isso em um artigo de 2019 sobre filmes de nanotubos de carbono hiperbólicos.

p Filmes cristalinos de quiralidade única também podem ser usados ​​para estudar novos estados da matéria, como polaritons de excitons e condensados ​​de Bose-Einstein, e para aplicativos que ainda não foram concebidos, Kono disse.

p "Neste momento, apenas um pequeno número de grupos no mundo pode torná-los alinhados, altamente denso, filmes de nanotubos de carbono fortemente embalados, "disse ele." E o trabalho que acabamos de terminar, o trabalho assistido por groove, oferece mais controle. Isso levará a melhores filmes, novas aplicações e novas ciências. Nós estamos muito animados."