La spugna superidrofobica con nanotubi di carbonio mostra una notevole capacità di assorbire l'olio dall'acqua. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di boro al processo di crescita crea legami covalenti nei nanotubi, creare reti dense con qualità robuste. (Credito:Jeff Fitlow/Rice University)
(Phys.org) - I ricercatori della Rice University e della Penn State University hanno scoperto che l'aggiunta di un pizzico di boro al carbonio durante la creazione di nanotubi li trasforma in solidi, spugnoso, blocchi riutilizzabili che hanno un'incredibile capacità di assorbire l'olio versato nell'acqua.
Questa è una delle tante potenziali innovazioni per il materiale creato in un unico passaggio. Il team ha scoperto per la prima volta che il boro crea pieghe e gomiti nei nanotubi mentre crescono e promuove la formazione di legami covalenti, che conferiscono alle spugne le loro qualità robuste.
I ricercatori, che hanno collaborato con colleghi nei laboratori di tutta la nazione e in Spagna, Belgio e Giappone, hanno rivelato la loro scoperta nel giornale online ad accesso aperto di Nature Rapporti scientifici .
L'autore principale Daniel Hashim, uno studente laureato nel laboratorio Rice dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan, detto che i blocchi sono entrambi superidrofobici (odiano l'acqua, quindi galleggiano molto bene) e oleofile (adorano l'olio). Le nanospugne, che sono più del 99% di aria, conducono anche elettricità e possono essere facilmente manipolati con i magneti.
Dimostrare, Hashim lasciò cadere la spugna in un piatto d'acqua con l'olio per motori usato che galleggiava sopra. La spugna l'ha assorbito. Ha poi messo un fiammifero al materiale, bruciò l'olio e rimise la spugna nell'acqua per assorbirne di più. La robusta spugna può essere utilizzata più volte e resiste agli abusi; ha detto che un campione è rimasto elastico dopo circa 10, 000 compressioni in laboratorio. La spugna può anche conservare l'olio per un successivo recupero, Egli ha detto.
“Questi campioni possono essere fatti piuttosto grandi e possono essere facilmente scalati, "disse Hashim, che contiene un blocco quadrato da mezzo pollice di miliardi di nanotubi. “Sono a bassissima densità, quindi il volume disponibile è grande. Ecco perché l'assorbimento di petrolio può essere così alto." Ha detto che le spugne descritte nella carta possono assorbire più di cento volte il loro peso in olio.
Ajayan, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson di Rice Professori di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica, detti nanotubi di carbonio a parete multipla cresciuti su un substrato tramite deposizione chimica da vapore di solito stanno in piedi dritti senza alcuna reale connessione con i loro vicini. Ma i difetti introdotti dal boro hanno indotto i nanotubi a legarsi a livello atomico, che li aggrovigliava in una rete complessa. Le spugne di nanotubi con potenziale di assorbimento dell'olio sono state realizzate in precedenza, ma questa è la prima volta che le giunzioni covalenti tra i nanotubi in tali solidi sono state dimostrate in modo convincente, Egli ha detto.
“Le interazioni avvengono man mano che crescono, e la materia esce dalla fornace come un solido, "ha detto Ajayan. “Le persone hanno prodotto solidi di nanotubi tramite processi di post-crescita ma senza connessioni covalenti adeguate. Il vantaggio qui è che il materiale viene creato direttamente durante la crescita e si presenta come una rete porosa reticolata.
“È facile per noi creare nanomattoni, ma arrivare alla macroscala è stata dura, ” ha detto. “I nanotubi devono connettersi o attraverso un modo intelligente di creare difetti topologici, o devono essere saldati insieme.”
Quando era uno studente universitario di Ajayan al Rensselaer Polytechnic Institute, Hashim e i suoi compagni di classe hanno scoperto suggerimenti di una soluzione topologica al problema mentre partecipavano a un programma di scambio della National Science Foundation presso l'Istituto di ricerca scientifica e tecnologia (IPICYT) a San Luis Potosí, Messico. Il coautore del documento, Maurizio Terrones, un professore di fisica, scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State University con un appuntamento alla Shinshu University, Giappone, ha condotto un laboratorio di nanotecnologia lì.
“Il nostro obiettivo era trovare un modo per creare reti tridimensionali di questi nanotubi di carbonio che formassero un tessuto su macroscala:un blocco spugnoso di nanotubi che sarebbe stato grande e abbastanza spesso da essere utilizzato per ripulire le fuoriuscite di petrolio e per eseguire altri compiti , ” ha detto Terrones. “Ci siamo resi conto che il trucco era aggiungere boro, un elemento chimico accanto al carbonio nella tavola periodica, perché il boro aiuta a innescare le interconnessioni del materiale. Per aggiungere il boro, abbiamo usato temperature molto elevate e poi abbiamo "lavorato a maglia" la sostanza nel tessuto di nanotubi".
I ricercatori nutrono grandi speranze per le applicazioni ambientali del materiale. “Per le fuoriuscite di petrolio, dovresti fare grandi fogli di questi o trovare un modo per saldare i fogli insieme (un processo su cui Hashim continua a lavorare), "ha detto Ajayan.
“La bonifica delle fuoriuscite di petrolio e la pulizia ambientale sono solo l'inizio di quanto potrebbero essere utili questi nuovi materiali di nanotubi, ” ha aggiunto Terrones. “Ad esempio, potremmo usare questi materiali per realizzare batterie più efficienti e leggere. Potremmo usarli come impalcature per la rigenerazione del tessuto osseo. We even could impregnate the nanotube sponge with polymers to fabricate robust and light composites for the automobile and plane industries.
Hashim suggested his nanosponges may also work as membranes for filtration.
I dont think anybody has created anything like this before, Ajayan said. Its a spectacular nanostructured sponge.
