Le nanofibre di carbonio all'interfaccia tra substrati non conduttivi (sinistra) e conduttivi (destra) non si allineano con il campo elettrico (E), ma piuttosto orientarsi lungo le linee di flusso ionico. Il controllo della direzione del flusso ionico fornisce i mezzi per far crescere nanofibre orientate anche su materiali isolanti, estendendo così notevolmente lo spazio di applicazione per questo importante materiale su scala nanometrica. Credito:Anatoli Melechko, North Carolina State University
I ricercatori della North Carolina State University hanno trovato un nuovo modo per sviluppare nanofibre di carbonio diritte su un substrato trasparente. La coltivazione di tali rivestimenti in nanofibre è importante per l'uso in nuovi strumenti di ricerca biomedica, celle solari, rivestimenti idrorepellenti e altri. La tecnica utilizza una griglia di cromo carica, e si affida agli ioni per garantire che le nanofibre siano dritte, piuttosto che curling – che limita la loro utilità.
"Questa è la prima volta, che io sappia, dove qualcuno è stato in grado di coltivare nanofibre di carbonio diritte su un substrato trasparente, " dice il dottor Anatoli Melechko, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State e coautore di un articolo che descrive la ricerca. "Tali nanofibre possono essere utilizzate come strumenti per la trasmissione di geni. E un substrato trasparente consente ai ricercatori di vedere come le nanofibre interagiscono con le cellule, e per manipolare questa interazione."
Nello specifico, le nanofibre possono essere rivestite con materiale genetico e poi inserite nel nucleo di una cellula – per esempio, per facilitare la ricerca sulla terapia genica. Il substrato trasparente migliora la visibilità perché i ricercatori possono far brillare la luce attraverso di esso, creando un contrasto migliore e rendendo più facile vedere cosa sta succedendo.
I ricercatori hanno anche appreso che gli ioni svolgono un ruolo chiave nel garantire che le nanofibre di carbonio siano dritte. Per capire quel ruolo, devi sapere come funziona la tecnica.
Le nanofibre sono realizzate distribuendo uniformemente nanoparticelle di nichel su un substrato di silicio fuso (che è puro biossido di silicio). Il sottofondo viene poi ricoperto da una fine griglia in cromo, che funge da elettrodo. Il substrato e la griglia vengono quindi posti in una camera a 700 gradi Celsius, che viene poi riempito con acetilene e ammoniaca. La griglia cromata è un elettrodo caricato negativamente, e la parte superiore della camera contiene un elettrodo caricato positivamente.
La tensione elettrica viene quindi applicata ai due elettrodi, creando un campo elettrico nella camera che eccita gli atomi nel gas acetilene e ammoniaca. Alcuni degli elettroni in questi atomi si staccano, creando elettroni liberi e atomi carichi positivamente chiamati ioni. Gli elettroni liberi accelerano intorno alla camera, liberando ancora più elettroni. Gli ioni caricati positivamente vengono attratti dalla griglia caricata negativamente sul pavimento della camera.
Nel frattempo, le nanoparticelle di nichel fungono da catalizzatori, reagendo con il carbonio nel gas acetilene (C 2 h 2 ) per creare nanofibre di carbonio grafitiche. Il catalizzatore scorre sulla punta della nanofibra che si forma sotto di esso, come un pilastro in rapida crescita. Il termine grafitico significa che le nanofibre hanno atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale, come la grafite.
Un problema con la crescita delle nanofibre di carbonio è che la superficie del catalizzatore può essere ostruita da un film di carbonio che blocca l'azione catalitica, impedendo un'ulteriore crescita delle nanofibre. Ecco dove entrano quegli ioni.
Gli ioni attratti dalla griglia di cromo si muovono molto rapidamente, e scelgono il percorso più breve possibile per raggiungere il metallo caricato negativamente. Nella loro fretta di raggiungere la griglia, gli ioni si scontrano spesso con i catalizzatori di nichel, eliminando il carbonio in eccesso e consentendo un'ulteriore crescita delle nanofibre.
Poiché gli ioni vengono attratti dalla griglia di cromo, l'angolo con cui colpiscono i catalizzatori dipende da dove si trova il catalizzatore rispetto alla griglia. Per esempio, se stai guardando la griglia, un catalizzatore appena a destra della griglia sembrerà inclinato a destra, perché gli ioni avrebbero colpito il lato destro del catalizzatore nel tentativo di raggiungere la griglia. Queste nanofibre sono ancora dritte – non si arricciano – si inclinano semplicemente in una direzione. La maggior parte delle nanofibre, però, sono sia diritte che allineate verticalmente.
"Questa scoperta ci offre l'opportunità di creare nuovi reattori per la creazione di nanofibre, edificio nella griglia cromata, "dice Melechko.
