Bicarbonato di sodio, sale da tavola, e detersivo sono ingredienti sorprendentemente efficaci per la cottura di nanotubi di carbonio, hanno scoperto i ricercatori del MIT.

In uno studio pubblicato questa settimana sulla rivista Angewandte Chemie , il team riferisce che i composti contenenti sodio presenti negli ingredienti domestici comuni sono in grado di catalizzare la crescita dei nanotubi di carbonio, o CNT, a temperature molto più basse di quelle richieste dai catalizzatori tradizionali.

I ricercatori affermano che il sodio potrebbe consentire la crescita di nanotubi di carbonio su una serie di materiali a temperatura più bassa, come polimeri, che normalmente si sciolgono alle alte temperature necessarie per la crescita tradizionale dei CNT.

"Nei compositi aerospaziali, ci sono molti polimeri che tengono insieme le fibre di carbonio, e ora potremmo essere in grado di coltivare direttamente CNT su materiali polimerici, per rendere più forte, più duro, compositi più rigidi, "dice Riccardo Li, l'autore principale dello studio e uno studente laureato presso il Dipartimento di aeronautica e astronautica del MIT. "L'uso del sodio come catalizzatore sblocca davvero i tipi di superfici su cui è possibile coltivare i nanotubi".

I coautori di Li al MIT sono i postdoc Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan, e Kehang Cui; alunni Akira Kudo Ph.D. '16, Andrea Liotta '16, e Ananth Govind Rajan SM '16, dottorato di ricerca '19; professore di ingegneria chimica Michael Strano, e professore di aeronautica e astronautica Brian Wardle, insieme ai collaboratori del National Institute of Standards and Technology e dell'Università di Harvard.

Sbucciare le cipolle

Al microscopio, i nanotubi di carbonio assomigliano a cilindri cavi di filo di pollo. Ogni tubo è costituito da un reticolo arrotolato di atomi di carbonio disposti esagonali. Il legame tra gli atomi di carbonio è straordinariamente forte, e quando modellato in un reticolo, come il grafene, o come un tubo, come un CNT, tali strutture possono avere rigidità e resistenza eccezionali, così come proprietà elettriche e chimiche uniche. Come tale, i ricercatori hanno esplorato il rivestimento di varie superfici con CNT per produrre più forti, più rigido, materiali più duri.

I ricercatori in genere coltivano CNT su vari materiali attraverso un processo chiamato deposizione chimica da vapore. Un materiale di interesse, come le fibre di carbonio, è rivestito in un catalizzatore, di solito un composto a base di ferro, e posto in una fornace, attraverso il quale fluiscono l'anidride carbonica e altri gas contenenti carbonio. A temperature fino a 800 gradi Celsius, il ferro inizia ad estrarre atomi di carbonio dal gas, che brillano sugli atomi di ferro e tra loro, alla fine formando tubi verticali di atomi di carbonio attorno a singole fibre di carbonio. I ricercatori utilizzano quindi varie tecniche per dissolvere il catalizzatore, lasciando dietro di sé nanotubi di carbonio puro.

Li e i suoi colleghi stavano sperimentando modi per far crescere CNT su varie superfici rivestendole con diverse soluzioni di composti contenenti ferro, quando il team ha notato che i nanotubi di carbonio risultanti avevano un aspetto diverso da quello che si aspettavano.

"I tubi sembravano un po' buffi, e Rich e la squadra hanno accuratamente sbucciato la cipolla, com'era, e si scopre una piccola quantità di sodio, che sospettavamo fosse inattivo, stava effettivamente causando tutta la crescita, " dice Ward.

Accordare le manopole del sodio

Per la maggior parte, il ferro è stato il tradizionale catalizzatore per la crescita dei CNT. Wardle dice che questa è la prima volta che i ricercatori hanno visto il sodio avere un effetto simile.

"Il sodio e altri metalli alcalini non sono stati esplorati per la catalisi dei CNT, " Wardle dice. "Questo lavoro ci ha portato a una parte diversa della tavola periodica".

Per assicurarsi che la loro osservazione iniziale non fosse solo un caso, il team ha testato una gamma di composti contenenti sodio. Inizialmente hanno sperimentato con sodio di qualità commerciale, sotto forma di bicarbonato di sodio, sale da tavola, e pellet di detersivo, che hanno ottenuto dal minimarket del campus. Infine, però, hanno aggiornato a versioni purificate di quei composti, che hanno sciolto in acqua. Hanno quindi immerso una fibra di carbonio nella soluzione di ciascun composto, rivestendo tutta la superficie di sodio. Finalmente, hanno messo il materiale in una fornace e hanno eseguito i passaggi tipici coinvolti nel processo di deposizione chimica da vapore per far crescere i CNT.

Generalmente, hanno scoperto che, mentre i catalizzatori di ferro formano nanotubi di carbonio a circa 800 gradi Celsius, i catalizzatori di sodio sono stati in grado di formare brevi, fitte foreste di CNT a temperature molto più basse, di circa 480 C. Inoltre, dopo che le superfici hanno trascorso circa 15-30 minuti nel forno, il sodio si è semplicemente vaporizzato via, lasciando dietro di sé nanotubi di carbonio cavi.

"Gran parte della ricerca sui CNT non riguarda la loro coltivazione, ma nel pulirli, estrarre dal prodotto i diversi metalli usati per farli crescere, " dice Wardle. "La cosa bella con il sodio è, possiamo semplicemente scaldarlo e sbarazzarcene, e ottieni CNT puro come prodotto, cosa che non si può fare con i catalizzatori tradizionali."

Li afferma che il lavoro futuro potrebbe concentrarsi sul miglioramento della qualità dei CNT coltivati ​​utilizzando catalizzatori di sodio. I ricercatori hanno osservato che mentre il sodio era in grado di generare foreste di nanotubi di carbonio, le pareti dei tubi non erano perfettamente allineate secondo schemi perfettamente esagonali, configurazioni simili a cristalli che conferiscono ai CNT la loro caratteristica forza. Li prevede di "accordare varie manopole" nel processo CVD, cambiando i tempi, temperatura, e condizioni ambientali, per migliorare la qualità dei CNT coltivati ​​con sodio.

"Ci sono così tante variabili con cui puoi ancora giocare, e il sodio può ancora competere abbastanza bene con i catalizzatori tradizionali, " Li dice. " Anticipiamo con sodio, è possibile ottenere tubi di alta qualità in futuro. E abbiamo una fiducia piuttosto alta che, anche se dovessi usare il normale bicarbonato di sodio Arm and Hammer, dovrebbe funzionare."

Per Shigeo Maruyama, professore di ingegneria meccanica presso l'Università di Tokyo, la capacità di cucinare CNT da un ingrediente così comune come il sodio dovrebbe rivelare nuove intuizioni sul modo in cui crescono i materiali eccezionalmente forti.

"È una sorpresa che possiamo coltivare nanotubi di carbonio dal sale da cucina!" dice Maruyama, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Anche se la crescita della deposizione chimica da vapore (CVD) dei nanotubi di carbonio è stata studiata per più di 20 anni, nessuno ha provato a usare il metallo del gruppo alcalino come catalizzatore. Questo sarà un ottimo suggerimento per una comprensione completamente nuova del meccanismo di crescita dei nanotubi di carbonio".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.