Ricercatori di nanomateriali in Finlandia, gli Stati Uniti e la Cina hanno creato un atlante dei colori per 466 varietà uniche di nanotubi di carbonio a parete singola.

L'atlante dei colori dei nanotubi è dettagliato in uno studio in Materiale avanzato su un nuovo metodo per prevedere i colori specifici dei film sottili realizzati combinando una qualsiasi delle 466 varietà. La ricerca è stata condotta da ricercatori della Aalto University in Finlandia, Rice University e Pechino in Cina.

"Carbonio, che vediamo come nero, può apparire trasparente o assumere qualsiasi colore dell'arcobaleno, " ha detto il fisico di Aalto Esko I. Kauppinen, il corrispondente autore dello studio. "Il foglio appare nero se la luce è completamente assorbita dai nanotubi di carbonio nel foglio. Se meno della metà circa della luce viene assorbita nei nanotubi, il foglio sembra trasparente. Quando la struttura atomica dei nanotubi provoca solo determinati colori di luce, o lunghezze d'onda, essere assorbito, le lunghezze d'onda che non vengono assorbite vengono riflesse come colori visibili."

I nanotubi di carbonio sono lunghi, molecole cave di carbonio, simile nella forma a un tubo da giardino, ma con lati spessi un atomo e diametri circa 50, 000 volte più piccolo di un capello umano. Le pareti esterne dei nanotubi sono realizzate in grafene laminato. E l'angolo di avvolgimento del grafene può variare, proprio come l'angolo di un rotolo di carta da regalo per le vacanze. Se la confezione regalo viene arrotolata con cura, ad angolo zero, le estremità della carta si allineeranno con ciascun lato del tubo della confezione regalo. Se la carta è avvolta con noncuranza, ad angolo, la carta sporgerà da un'estremità del tubo.

La struttura atomica e il comportamento elettronico di ciascun nanotubo di carbonio sono dettati dal suo angolo di avvolgimento, o chiralità, e il suo diametro. I due tratti sono rappresentati in un "(n, m)" sistema di numerazione che cataloga 466 varietà di nanotubi, ciascuno con una caratteristica combinazione di chiralità e diametro. Ciascuno (n, m) il tipo di nanotubo ha un colore caratteristico.

Il gruppo di ricerca di Kauppinen ha studiato per anni i nanotubi di carbonio e i film sottili di nanotubi, e in precedenza era riuscito a padroneggiare la fabbricazione di film sottili di nanotubi colorati che apparivano verdi, marrone e grigio argento.

Nel nuovo studio, Il team di Kauppinen ha esaminato la relazione tra lo spettro della luce assorbita e il colore visivo di vari spessori di film di nanotubi secchi e ha sviluppato un modello quantitativo in grado di identificare inequivocabilmente il meccanismo di colorazione per i film di nanotubi e prevedere i colori specifici dei film che combinano tubi con differenti caratteristiche intrinseche colori e (n, m) designazioni.

Ingegnere del riso e fisico Junichiro Kono, il cui laboratorio ha risolto il mistero dei nanotubi colorati da poltrona nel 2012, fornito film costituiti esclusivamente da (6, 5) nanotubi che sono stati utilizzati per calibrare e verificare il modello di Aalto. I ricercatori dell'Aalto e dell'Università di Pechino hanno utilizzato il modello per calcolare l'assorbimento della pellicola di riso e il suo colore visivo. Gli esperimenti hanno mostrato che il colore misurato del film corrispondeva abbastanza da vicino alla previsione del colore dal modello.

Il modello di Aalto mostra che lo spessore di un film di nanotubi, così come il colore dei nanotubi che contiene, influenzare l'assorbimento della luce da parte del film. L'atlante di Aalto di 466 colori di pellicole di nanotubi deriva dalla combinazione di diversi tubi. La ricerca ha mostrato che i tubi più sottili e colorati influenzano la luce visibile più di quelli con diametri maggiori e colori sbiaditi.

"Il gruppo di Esko ha fatto un ottimo lavoro nello spiegare teoricamente i colori, quantitativamente, che differenzia davvero questo lavoro dai precedenti studi sulla fluorescenza e colorazione dei nanotubi, " disse Kono.

Dal 2013, Il laboratorio di Kono ha aperto la strada a un metodo per realizzare pellicole di nanotubi 2-D altamente ordinate. Kono ha affermato di aver sperato di fornire al team di Kauppinen film cristallini 2-D altamente ordinati di nanotubi di una singola chiralità.

"Quella era l'idea originale, ma sfortunatamente, a quel tempo non avevamo film allineati con una singola chiralità appropriati, " ha detto Kono. "In futuro, la nostra collaborazione prevede di estendere questo lavoro per studiare i colori dipendenti dalla polarizzazione in film cristallini 2-D altamente ordinati".

Il metodo sperimentale utilizzato dai ricercatori di Aalto per coltivare i nanotubi per i loro film era lo stesso dei loro studi precedenti:i nanotubi crescono da gas monossido di carbonio e catalizzatori di ferro in un reattore riscaldato a più di 850 gradi Celsius. La crescita di nanotubi di diverso colore e (n, m) le designazioni sono regolate con l'aiuto dell'anidride carbonica che viene aggiunta al reattore.

"Dal precedente studio, abbiamo riflettuto su come spiegare l'emergere dei colori dei nanotubi, ", ha affermato la professoressa dell'Università di Pechino Nan Wei, che in precedenza ha lavorato come ricercatore post-dottorato presso Aalto. "Degli allotropi del carbonio, la grafite e il carbone sono neri, e i diamanti puri sono incolori all'occhio umano. Però, ora abbiamo notato che i nanotubi di carbonio a parete singola possono assumere qualsiasi colore:ad esempio, rosso, blu, verde o marrone".

Kauppinen ha affermato che i film sottili colorati di nanotubi sono flessibili e duttili e potrebbero essere utili nelle strutture elettroniche colorate e nelle celle solari.

"Il colore di uno schermo potrebbe essere modificato con l'aiuto di un sensore tattile nei telefoni cellulari, altri touch screen o sopra il vetro della finestra, Per esempio, " Egli ha detto.

Kauppinen ha affermato che la ricerca può anche fornire una base per nuovi tipi di coloranti rispettosi dell'ambiente.