Le nanoparticelle cave di carbonio sono forti, conducono bene l'elettricità e hanno una superficie notevolmente ampia. Mostrano promesse in applicazioni come la filtrazione dell'acqua, stoccaggio dell'idrogeno ed elettrodi della batteria, ma l'uso commerciale richiederebbe affidabilità, modi a basso costo per la loro produzione.

Xu Li dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore e i suoi collaboratori hanno sviluppato una semplice tecnica di produzione che offre un controllo preciso sulle dimensioni e sulla forma delle nanosfere cave di carbonio.

Un metodo attuale per preparare queste particelle prevede il rivestimento di un modello duro, come nanoparticelle di silice, con un materiale a base di carbonio che può essere fuso in un guscio utilizzando calore estremo. Questo è un processo laborioso, e l'incisione del modello richiede prodotti chimici aggressivi. Il riscaldamento di nanosfere cave di polistirene ottiene risultati simili ma offre uno scarso controllo sulle dimensioni e la forma delle nanoparticelle di carbonio risultanti.

Li e collaboratori hanno combinato un copolimero a blocchi chiamato F127, costituito da poli(ossido di etilene) e poli(ossido di propilene), con molecole di ?-ciclodestrina a forma di ciambella in acqua. Dopo aver riscaldato la miscela a 200 °C, le molecole si sono autoassemblate in nanoparticelle cave con una resa del 97,5%.

Le parti idrorepellenti in poli(ossido di propilene) del polimero si sono incollate insieme per formare sfere cave, lasciando le molecole di poli(ossido di etilene) penzolanti dall'esterno. Gli anelli di ?-ciclodestrina si sono poi infilati su questi filamenti, impacchettandosi intorno all'esterno della sfera per formare un guscio stabile. Utilizzando una proporzione più elevata di F127 nel mix ha prodotto nanosfere più grandi, che vanno da 200 a 400 nanometri di diametro. Il riscaldamento di queste particelle a 900 °C in gas inerti ha bruciato il polimero per creare nanoparticelle di carbonio cave.

Le nanosfere più piccole erano larghe 122 nanometri e avevano pareti spesse 14 nanometri punteggiate da minuscoli pori larghi circa 1 nanometro. Ogni grammo di questo materiale aveva una superficie di 317,5 metri quadrati, che è più grande di un campo da tennis.

I ricercatori hanno utilizzato una sospensione di particelle per rivestire una lamina di rame e l'hanno testata come anodo in una batteria agli ioni di litio. Hanno scoperto che le particelle avevano una capacità di carica reversibile di 462 milliampere ore per grammo, superiore alla grafite, un tipico materiale anodico e potrebbe essere ricaricato almeno 75 volte senza una significativa perdita di prestazioni. I pori apparentemente consentono agli ioni di litio di migrare verso le superfici interne delle sfere. "La modifica della porosità potrebbe migliorare il processo di trasporto per prestazioni più elevate, " suggerisce Li. Il team ora prevede di incorporare materiali di metallo e ossido di metallo nelle nanosfere cave di carbonio per migliorare ulteriormente le loro proprietà.