Пищевая сода, поваренная соль, и моющее средство удивительно эффективные ингредиенты для приготовления до углеродных нанотрубок, исследователи из Массачусетского технологического института нашли.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале «Прикладная химия», команда сообщает, что натрий-содержащих соединений, которые содержатся в обычных бытовых ингредиентов, способных катализировать рост углеродных нанотрубок или углеродных нанотрубок, при гораздо более низких температурах, чем традиционные катализаторы требуют.
Исследователи утверждают, что натрия, возможно, углеродные нанотрубки выращивают на множество более низкотемпературных материалов, таких как полимеры, которые обычно плавятся при высоких температурах, необходимых для традиционного роста УНТ.
“В аэрокосмических композитных материалов, существует множество полимеров, которые держат углеродных волокон вместе, а теперь мы можем непосредственно растут УНТ на полимерные материалы, сделать сильнее, крепче, жестче композитов”, — говорит Ричард Ли, ведущий автор исследования и аспирант в Массачусетском технологическом институте в отделе аэронавтики и астронавтики. “Использование натрия в качестве катализатора действительно разблокирует видов поверхностей вы можете выращивать нанотрубки на”.
Ли МИТ соавторы постдоков Эрика Антунеш, Эстель Kalfon-Коэн, Луис Acauan, и Kehang Кюи; выпускников Акира Кудо кандидат ’16, Эндрю Лиотта ’16, и была Говинда Раджан см ’16, к. ’19; профессор химической инженерии Майкл Страно, профессор аэронавтики и астронавтики Брайан Уордл, наряду с сотрудниками в Национальном институте стандартов и технологий США и Гарвардского университета.
Пилинг лук
Под микроскопом, углеродные нанотрубки напоминают полые цилиндры из проволоки. Каждая трубка изготавливается из закатал решетку шестиугольной расположены атомы углерода. Связь между атомами углерода является чрезвычайно сильным, и когда с рисунком в виде решетки, таких как графен, или в виде трубки, таких как УНТ, такие структуры могут иметь исключительную жесткость и прочность, а также уникальные электрические и химические свойства. Как таковое, исследователи изучили покрытия различных поверхностей с УНТ, чтобы произвести более сильные, более жесткие, более жесткие материалы.
Исследователи, как правило, растут УНТ на различных материалах посредством процесса, называемого химического парофазного осаждения. Материального интереса, таких как углеродные волокна, покрыта катализатором — обычно на основе железа, соединения и помещают в печь, через которую двуокиси углерода и других углеродсодержащих потока газов. При температурах до 800 градусов по Цельсию, железа начинает рисовать атомов углерода из газа, который присасываешься к атомам железа и друг с другом, образуя в конечном счете вертикальные трубки из атомов углерода вокруг отдельных углеродных волокон. Исследователи используют различные методики для растворения катализатора, оставив позади чисто углеродных нанотрубок.
Ли и его коллеги экспериментировали с способы выращивания УНТ на различных поверхностей путем нанесения на них различных растворов соединений, содержащих железо, когда команда заметила, образующихся углеродных нанотрубок посмотрел отличается от того, что они ожидали.
“Трубы выглядели немного смешные, и богатые и команда тщательно очищенные луковицу, как бы, и получается небольшое количество натрия, который мы подозревали, был активен, был на самом деле вызывает рост”, — говорит Уордл.
Ручки настройки натрия
Для большей части железа является традиционным катализатором для роста УНТ. Wardle говорит Это первый раз, когда исследователи увидели натрия обладают схожим эффектом.
“Натрия и других щелочных металлов не были изучены для катализа ЦНТ”, — говорит Уордл. “Эта работа привела нас к другой части периодической таблицы”.
Чтобы убедиться, что их первоначальное наблюдение было не просто случайностью, команда протестировали ряд натрий-содержащих соединений. Первоначально они экспериментировали с коммерческого уровня натрия в виде пищевой соды, поваренной соли, моющего средства и гранул, которые они получили от магазин кампуса. В конце концов, однако, они обновляются до очищенной версии этих веществ, которые они растворяли в воде. Затем они погрузили углеродного волокна в раствор каждого препарата, покрывая всю поверхность натрия. Наконец, они поместили материал в печь и проводят типичные этапы химического парофазного процесса осаждения расти УНТ.
В общем, они нашли, что, в то время как железные катализаторы форма углеродных нанотрубок около 800 градусов по Цельсию, натрия катализаторов удалось сформировать короткие, густые леса УНТ при гораздо более низких температурах, около 480 года до н. э. Более того, после того, как поверхности потрачено около 15 до 30 минут в печи, натрия просто испарились, оставив полые углеродные нанотрубки.
“Большая часть исследований УНТ не растет, но на уборку их —получать различные металлы, используемые, чтобы вырастить их из продукта”, — говорит Уордл. “Главное натрия, можно просто нагреть его и избавиться от него, и сделать чисто УНТ в качестве продукта, который вы не можете сделать с традиционными катализаторами.”
Ли говорит, что будущая работа может быть направлена на повышение качества УНТ, выращенных с использованием катализаторов натрия. Исследователи отметили, что в то время как натрия способен генерировать леса углеродных нанотрубок, стенки трубы были не идеально ровные, идеально шестиугольной модели — Кристалл-как конфигураций, которые дают УНТ их характеристика сила. Планирует ли “настраивать различные ручки” в CVD процесса, изменение сроков, температуры и экологических условий, улучшение качества натрия, выращенных УНТ.
“Есть так много переменных, которые вы все еще можете играть с, и натрий еще может очень хорошо конкурировать с традиционными катализаторами”, говорит Ли. “Мы ожидаем с натрием, можно получить высокое качество труб в будущем. И у нас есть очень высокая уверенность, что даже если бы вы использовали обычный рычаг и Молот выпечки соды, она должна работать”.
Для Шигео Маруяма, профессор машиностроения в университете в Токио, умение готовить УНТ с таким обыденным ингредиентом натрия должны показать новые идеи в сторону исключительно прочные материалы растут.
“Это удивительно, что мы можем выращивать углеродные нанотрубки с поваренной солью!” — говорит Маруяма, который не был вовлечен в исследование. “Хотя химического парофазного осаждения (CVD) рост углеродных нанотрубок были изучены в течение более чем 20 лет, никто не пытался использовать щелочных металлов в качестве катализатора. Это будет большой намек на полностью новое понимание механизма роста углеродных нанотрубок”.
Это исследование было поддержано, в части, Аэробус, Боинг, Эмбраер, Локхид Мартин», » Сааб АБ, программный комплекс ANSYS, Saertex, и TohoTenax через МИТ нано-инженерии композитных аэрокосмических конструкций Консорциума (NECST).
