Proprio come molti di noi potrebbero essere rassegnati alle saliere intasate o al traffico dell'ora di punta, coloro che lavorano per sfruttare le proprietà speciali dei nanotubi di carbonio hanno tipicamente alzato le spalle quando questi minuscoli cilindri si riempiono d'acqua durante la lavorazione. Ma per i praticanti di nanotubi che hanno raggiunto la soglia di Braccio di Ferro e "non ce la fanno più, " il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha ideato un economico, strategia rapida ed efficace che migliora in modo affidabile la qualità e la consistenza dei materiali, importante per utilizzarli efficacemente in applicazioni come le nuove tecnologie informatiche.

Per impedire il riempimento dei nuclei dei nanotubi di carbonio a parete singola con acqua o altre sostanze dannose, i ricercatori del NIST consigliano di precompilarli intenzionalmente con una sostanza chimica desiderata di proprietà note. Facendo questo passo prima di separare e disperdere i materiali, di solito fatto in acqua, produce una raccolta uniformemente uniforme di nanotubi. In quantità e qualità, i risultati sono superiori ai nanotubi pieni d'acqua, soprattutto per applicazioni ottiche come sensori e fotorivelatori.

L'approccio apre un percorso diretto per l'ingegneria delle proprietà dei nanotubi di carbonio a parete singola, fogli arrotolati di atomi di carbonio disposti come filo di pollo o favi di miele, con proprietà migliorate o nuove.

"Questo approccio è così facile, economico e ampiamente utile che non riesco a pensare a un motivo per non usarlo, ", ha affermato l'ingegnere chimico del NIST Jeffrey Fagan.

Nei loro esperimenti di proof-of-concept, il team del NIST ha inserito più di 20 diversi composti in un assortimento di nanotubi di carbonio a parete singola con un diametro interno che variava da più di 2 fino a circa 0,5 nanometri. Guidato dal ricercatore in visita Jochen Campo, gli scienziati hanno testato la loro strategia utilizzando idrocarburi chiamati alcani come riempitivi.

Gli alcani, che includono composti familiari come propano e butano, serviva a rendere non reattivi gli interni dei nanotubi. In altre parole, i nanotubi pieni di alcani si comportavano quasi come se fossero vuoti, proprio l'obiettivo di Campo, Fagan e colleghi.

Rispetto ai nanotubi riempiti con acqua e possibilmente ioni, acidi e altre sostanze chimiche indesiderate incontrate durante la lavorazione, i nanotubi vuoti possiedono proprietà di gran lunga superiori. Per esempio, quando stimolato dalla luce, i nanotubi di carbonio vuoti emettono fluorescenza molto più luminosa e con segnali più nitidi.

Ancora, "L'ingestione spontanea" di acqua o altri solventi da parte dei nanotubi durante la lavorazione è un "fenomeno endemico ma spesso trascurato con forti implicazioni per lo sviluppo delle applicazioni dei nanotubi, " ha scritto il team del NIST in un recente articolo in Orizzonti su nanoscala .

Forse a causa del costo aggiuntivo e dello sforzo richiesto per filtrare e raccogliere i nanotubi, i ricercatori tendono a tollerare lotti misti di nanotubi di carbonio a parete singola non riempiti (vuoti) e per lo più riempiti. La separazione dei nanotubi non riempiti da queste miscele richiede costose apparecchiature per ultracentrifuga e, anche allora, la resa è solo del 10% circa, Stime di Campo.

"Se il tuo obiettivo è utilizzare i nanotubi per i circuiti elettronici, Per esempio, o per agenti di contrasto di immagine antitumorali fluorescenti, allora si richiedono quantità molto maggiori di materiali di consistente composizione e qualità, " ha spiegato Campo, che stava esplorando queste applicazioni mentre svolgeva ricerca post-dottorato presso l'Università di Anversa. "Questa particolare esigenza ha ispirato lo sviluppo del nuovo metodo di precompilazione ponendo la domanda, possiamo invece mettere una sostanza chimica passiva nel nanotubo per tenere fuori l'acqua."

Fin dai primi semplici esperimenti, la risposta era sì. E i vantaggi possono essere significativi. Negli esperimenti di fluorescenza, i nanotubi pieni di alcani emettono segnali da due a tre volte più forti di quelli emessi dai nanotubi pieni d'acqua. Le prestazioni si avvicinavano a quelle dei nanotubi vuoti, il gold standard per questi confronti.

Per quanto importante, la strategia di preriempimento sviluppata dal NIST è controllabile, versatili e facilmente incorporabili nei metodi esistenti per la lavorazione di nanotubi di carbonio a parete singola, secondo i ricercatori.