Natsumi Komatsu, studente laureato alla Rice University, è stato il primo a notare che l'allineamento delle pellicole di nanotubi di carbonio 2D corrisponde alle scanalature nella carta da filtro sotto le pellicole. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
I cristalli di nanotubi di carbonio ultrasottili potrebbero avere usi meravigliosi, come convertire il calore di scarto in elettricità con un'efficienza quasi perfetta, e gli ingegneri della Rice University hanno fatto un grande passo verso questo obiettivo.
L'ultimo passo continua una storia iniziata nel 2013, quando Junichiro Kono di Rice e i suoi studenti scoprirono un metodo rivoluzionario per allineare i nanotubi di carbonio in film sottili su una membrana filtrante.
I nanotubi sono lunghi, cavo e notoriamente soggetto a grovigli. Immagina un tubo da giardino lungo decine di miglia, quindi ridurre il diametro del tubo alla larghezza di pochi atomi. Chiunque abbia mai combattuto con un tubo annodato può apprezzare l'impresa di Kono:lui ei suoi studenti avevano trasformato una folla di nanotubi indisciplinati in un collettivo ben ordinato. Di propria iniziativa, e a miliardi, i nanotubi giacevano volentieri uno accanto all'altro, come spaghetti secchi in una scatola.
Il problema? Kono ei suoi studenti non avevano idea del perché stesse accadendo.
"E' stato magico. Voglio dire, davvero misterioso, " disse Kono, un ingegnere elettrico, fisico applicato e scienziato dei materiali che ha studiato i nanotubi di carbonio per più di due decenni. "Non avevamo idea di cosa stesse realmente accadendo su scala microscopica. E, soprattutto, non sapevamo nemmeno in quale direzione si sarebbero allineati i nanotubi".
Lui e il suo team hanno pubblicato i loro risultati nel 2016, e il campo ha pesato con possibili spiegazioni. La risposta, come descritto in un nuovo documento dal team e dai collaboratori di Kono in Giappone, è allo stesso tempo inaspettato e semplice:minuscole scanalature parallele nella carta da filtro, un artefatto del processo di produzione della carta, causano l'allineamento dei nanotubi. La ricerca è disponibile online sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .
Kono ha detto che uno studente laureato nel suo laboratorio, l'autore principale dello studio Natsumi Komatsu, fu il primo a notare i solchi e ad associarli all'allineamento dei nanotubi.
"Ho scoperto che qualsiasi carta a membrana filtrante acquistata in commercio utilizzata per questa tecnica ha queste scanalature, " Komatsu ha detto. "La densità delle scanalature varia da lotto a lotto. Ma ci sono sempre dei solchi".
I ricercatori della Rice University hanno scoperto che i nanotubi di carbonio a parete singola si allineano fianco a fianco nei film 2D a causa di piccole scanalature nella carta da filtro su cui si formano i film durante la filtrazione sotto vuoto. Pellicole grandi fino a 1 pollice di diametro (in alto a sinistra) formano sopra i filtri di carta che separano i nanotubi dal tensioattivo liquido. I ricercatori di Rice hanno mostrato che le scanalature nella carta (in alto a destra) guidano i nanotubi (in basso) in disposizioni altamente ordinate. Credito:Kono Group/Rice University
Per formare i film cristallini 2-D, i ricercatori prima sospendono una miscela di nanotubi in una soluzione di acqua e tensioattivo. Il tensioattivo simile al sapone ricopre i nanotubi e agisce come districante. Nel 2013, Gli studenti di Kono usavano la filtrazione sotto vuoto per aspirare queste miscele attraverso la carta da filtro a membrana. Il liquido è passato attraverso la membrana di carta, lasciando sopra un film di nanotubi allineati.
In una serie esaustiva di esperimenti, Komatsu e colleghi, tra cui il ricercatore postdottorato del gruppo Kono Saunab Ghosh, ha mostrato che l'allineamento dei nanotubi in questi film corrispondeva a parallelo, scanalature submicroscopiche sulla carta. È probabile che le scanalature si formino quando la carta da filtro viene tirata sui rotoli in fabbrica, disse Kono.
Komatsu ha esaminato dozzine di campioni di carta da filtro e ha utilizzato microscopi elettronici a scansione e microscopi a forza atomica per caratterizzare solchi e modelli di solchi. Ha tagliato i filtri a pezzi, ha riassemblato i pezzi con scanalature rivolte in direzioni diverse e ha mostrato di produrre film con allineamenti corrispondenti.
Komatsu e colleghi hanno anche usato calore e pressione per rimuovere le scanalature dalla carta da filtro, utilizzando gli stessi principi coinvolti nella stiratura delle rughe dai vestiti. Hanno dimostrato che i film realizzati con carta priva di scanalature avevano nanotubi allineati in diverse direzioni.
Finalmente, a partire da carta senza scanalature, hanno dimostrato di poter utilizzare un reticolo riflettente molto fine con scanalature periodiche per creare i propri schemi di scanalature e che i corrispondenti film di nanotubi seguivano tali schemi.
Kono ha affermato che il metodo è entusiasmante perché porta un livello necessario di prevedibilità alla produzione di film di nanotubi cristallini 2-D.
"Se i nanotubi sono orientati in modo casuale, perdi tutte le proprietà unidimensionali, " Ha detto Kono. "Essere unidimensionali è la chiave. Porta a tutte le proprietà insolite ma importanti."
Mentre i film del gruppo Kono sono essenzialmente 2-D, fino a un pollice di diametro ma solo pochi miliardesimi di metro di spessore, i singoli nanotubi si comportano come materiali 1D, soprattutto in termini di proprietà ottiche ed elettroniche.
Le frecce bianche (a sinistra) evidenziano grandi "macroscanalature" in un'immagine al microscopio ottico di una membrana filtrante disponibile in commercio. Lo zoom con un microscopio a forza atomica (al centro ea destra) rivela microsolchi più piccoli. L'immagine centrale mostra l'area all'interno della casella bianca nell'immagine a sinistra, e l'immagine a destra mostra l'area all'interno della casella bianca dell'immagine centrale. Credito:Kono Group/Rice University
Le straordinarie proprietà ottiche ed elettroniche dei nanotubi di carbonio dipendono dal loro diametro e dalla loro struttura, o chiralità. Alcune chiralità agiscono come i metalli e altre come i semiconduttori, e i ricercatori hanno lottato per decenni per trovare un modo per rendere grandi, oggetti macroscopici come un filo o uno dei film di Kono da 1 pollice di diametro puramente di nanotubi con un diametro e chiralità.
"Questo è ovviamente il prossimo passo, " ha detto Ghosh. "In questo studio, abbiamo ancora usato una miscela di nanotubi di carbonio metallici e semiconduttori con una distribuzione del diametro. Il prossimo passo è applicare questo nuovo metodo basato sulla creazione intenzionale di scanalature utilizzando una griglia per ottenere il controllo totale della direzione di allineamento".
Kono ha affermato che il suo team ha realizzato cristalli 2-D altamente allineati da soluzioni con una diversa miscela di nanotubi.
"Ma quando passiamo a una soluzione di singola chiralità, non siamo mai stati soddisfatti dell'allineamento, " disse. "Ora, con questa conoscenza dei solchi, siamo fiduciosi di poter migliorare il grado di allineamento nel caso di film di nanotubi di carbonio a singola chiralità".
I film a chiralità singola potrebbero aprire la porta ad applicazioni con un potenziale sbalorditivo, ad esempio, lastre di puro carbonio che convertono il calore in luce con un'efficienza quasi perfetta. Sposare un tale foglio con un materiale fotovoltaico potrebbe fornire un modo per trasformare il calore in energia elettrica in modo molto efficiente, creando la possibilità di radiatori che raffreddano sia i motori che l'elettronica mentre li alimentano.
Il laboratorio di Kono e il gruppo di ricerca di Gururaj Naik di Rice hanno dimostrato il concetto in un articolo del 2019 sui film iperbolici di nanotubi di carbonio.
I film cristallini a singola chiralità potrebbero essere utilizzati anche per studiare nuovi stati della materia, come i polaritoni degli eccitoni e i condensati di Bose-Einstein, e per applicazioni non ancora previste, disse Kono.
"In questo momento, solo un piccolo numero di gruppi nel mondo può farli allineare, molto denso, pellicole di nanotubi di carbonio molto imballate, " disse. "E il lavoro che abbiamo appena finito, il lavoro scanalato, offre più controllo. Questo porterà a film migliori, nuove applicazioni e nuova scienza. Siamo molto entusiasti."
