(PhysOrg.com) -- Un team di ricercatori di nanotecnologia dell'Università del Maryland ha risolto una delle sfide più fastidiose che ostacolano l'uso dei nanomateriali di carbonio per un migliore accumulo di energia elettrica o il miglioramento delle capacità di rilevamento della fluorescenza dei biosensori. I risultati sono pubblicati nel numero del 12 luglio di Comunicazioni sulla natura .

La ricerca innovativa è stata guidata dal professor Yu Huang Wang del Dipartimento di Chimica e Biochimica e condotta nel Centro di nanostrutture per l'accumulo di energia elettrica dell'università (un centro di ricerca di frontiera energetica del Dipartimento di Energia), Università nordoccidentale, e il Maryland NanoCenter.

Si riconosce che i nanotubi di carbonio (CNT) hanno un potenziale enorme. Sono alcune delle strutture più conduttive mai realizzate:elettrodi altamente efficienti con un'enorme superficie. Per sfruttare appieno queste proprietà, però, I CNT devono essere solubili, cioè hanno la capacità di essere dispersi in un ambiente liquido o di rivestire uniformemente un materiale composito solido. Sfortunatamente, allo stato grezzo i CNT sono insolubili; si aggregano piuttosto che disperdersi.

Da più di un decennio, i ricercatori hanno sviluppato nuovi processi chimici per affrontare questa sfida. Un'idea è stata quella di creare difetti permanenti sulle superfici dei CNT e "funzionalizzarli" in modo che siano solubili. Sfortunatamente, questo ha anche l'effetto collaterale indesiderato di distruggere rapidamente le proprietà elettriche e ottiche dei CNT.

Wang e il suo team hanno sviluppato un nuovo processo di funzionalizzazione per i CNT che fornisce solubilità e preserva le proprietà elettriche e ottiche. Funzionalizzano intenzionalmente i difetti sui tubi in luoghi utili, non casuali, creando "gruppi funzionali" strategici. Questi gruppi molecolari accuratamente posizionati consentono ai CNT di disperdersi facilmente mantenendo le loro proprietà ottiche e la capacità di condurre corrente elettrica in ampie regioni lungo il tubo.

La sfida è stata quella di controllare le reazioni chimiche che producono i gruppi funzionali sui CNT. Utilizzando un processo chimico chiamato alchilcarbossilazione riduttiva Billups-Birch, Il team di Wang ha scoperto di poter aggiungere progressivamente nuovi gruppi funzionali alla parete del CNT in modo controllato senza introdurre nuovi difetti non intenzionali.

Quando i CNT vengono immersi in una soluzione chimica per un determinato periodo di tempo, i gruppi funzionalizzati sui nanotubi si allungano di una quantità prevedibile. Ogni volta che il processo viene ripetuto, o all'aumentare del tempo nella soluzione, le sezioni si allungano. Quando i CNT vengono visualizzati in uno speciale, microscopio elettronico ad alto ingrandimento, è evidente che la funzionalizzazione è progredita longitudinalmente lungo il tubo.

La propagazione può iniziare da difetti naturali o introdotti intenzionalmente. Poiché il meccanismo di propagazione confina la reazione e controlla strategicamente dove crescono i gruppi funzionali, Il team di Wang è in grado di produrre gruppi funzionali raggruppati in modo controllato, velocità di propagazione costante. È il primo processo di chimica umida chiaramente stabilito che lo fa.

La svolta consente di creare nuove strutture funzionali come i nanotubi "a bande" con segmenti alternati di regioni funzionalizzate e intatte. Le regioni funzionalizzate impediscono ai CNT di aggregarsi, rendendoli tra i CNT più solubili in acqua conosciuti. Allo stesso tempo, le bande di intatto, le regioni non funzionalizzate dei CNT consentono di conservare le proprietà elettriche e ottiche.

"Questo è importante per l'uso futuro di questi materiali nelle batterie e nelle celle solari dove si cercano una raccolta e un trasporto efficienti della carica, "Spiega Wang. "Questi CNT potrebbero anche essere usati come sensori biochimici altamente sensibili a causa del loro forte assorbimento ottico e della fluorescenza di lunga durata nelle regioni del vicino infrarosso dove i tessuti sono quasi otticamente trasparenti".

"Questo è un passo importante verso la costruzione delle nanostrutture controllate necessarie per comprendere la scienza elettrochimica e il suo valore per le soluzioni energetiche, " afferma il direttore del NanoCenter dell'Università del Maryland, Professor Gary Rubloff, un collaboratore del progetto.