I nanotubi di carbonio (CNT) sono una famiglia di nanostrutture 1D con numerose applicazioni verificate, resi possibili grazie alla loro eccellente meccanica, proprietà ottiche e conduttive. Però, l'applicazione dei CNT è ostacolata dalla presenza di specie con varie strutture nella miscela di produzione grezza, che oscura le proprietà uniche delle singole specie.

Esistono vari metodi per separare i CNT, ma sono difficili da scalare principalmente a causa dell'alto costo dei reagenti coinvolti. In particolare, la maggior parte di questi metodi sono stati originariamente sviluppati per selezionare le proteine, e sono stati adottati solo di recente per separare i CNT.

In questo documento, gli autori propongono un nuovo, metodo di separazione conveniente, adatto per la lavorazione su scala industriale di CNT. Il metodo di separazione si basa sul passaggio della soluzione tensioattiva dei CNT attraverso una colonna riempita con cotone idrofilo modificato chimicamente.

Uno dei metodi esistenti di separazione, indicato come gel permeazione selettiva, nella sua essenza è una cromatografia su colonna di base. Vale a dire, la soluzione tensioattiva dei CNT viene fatta passare attraverso una colonna, riempito con gel di perline di agarosio e/o destrano con i nomi commerciali Sepharose e Sephacryl. Sia l'agarosio che il destrano sono polisaccaridi costituiti dalle unità di costruzione del glucosio o simili al glucosio. La cellulosa è un polisaccaride naturale costituito dalle stesse unità strutturali. Questo è il motivo per cui il team ha deciso di provare questo materiale come riempitivo per colonne per la permeazione selettiva.

Il cotone è cellulosa naturale, possiede un'area superficiale elevata a causa della struttura fibrosa. Co-autore Timur Khamidullin, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Ayrat Dimiev (Laboratorio di nanomateriali avanzati di carbonio, Kazan Federal University) ha fatto il primo tentativo con cotone idrofilo naturale acquistato presso una farmacia locale. Nonostante la bassa efficienza di smistamento, c'è stata una separazione registrata, cioè cotone lavorato come riempitivo di colonne. Ispirato dal risultato, Ayrat Dimiev ha deciso di modificare chimicamente il cotone idrofilo per cambiare la natura chimica della sua superficie. I risultati sono stati anche superiori alle aspettative:questo ha dato un'efficienza di separazione molto migliore fin dalla prima prova. Ci sono voluti un altro anno e mezzo degli sforzi collettivi del gruppo per mettere a punto sia la modifica chimica del cotone, e il rapporto dei tensioattivi nelle soluzioni disperdenti ed eluenti.

L'uso di cotone idrofilo modificato ha permesso di raggiungere un livello di separazione mai riportato prima per i CNT tubarici. Inoltre, il cotone idrofilo modificato è circa 200 volte più economico degli idrogel a base di agarosio e destrano, attualmente impiegato nel metodo di separazione per permeazione selettiva del gel. La scalabilità del metodo è limitata solo dal diametro della colonna di separazione.

Il principale contributo al lavoro è stato dato dal capogruppo Ayrat Dimiev, dottorato di ricerca studente Timur Khamidullin, e i postdoc Shamil Galyaltdinov e Artur Khannanov.

Nella miscela di produzione grezza, CNT di diverse strutture e proprietà oscurano il valore dell'altro. La domanda industriale di CNT separati apparirà e crescerà nei prossimi anni. I CNT con conduttività di tipo metallico possono essere utilizzati in pellicole conduttive trasparenti flessibili e persino potenzialmente sostituire i metalli nei cablaggi. I CNT semiconduttori possono essere utilizzati come transistor e come piattaforme per l'imaging e la somministrazione mirata di farmaci grazie alla loro emissione distinta e unica nella regione IR. Così, metodi efficienti per separare le miscele di produzione di CNT grezzi aumenterebbero l'applicazione dei CNT a un nuovo livello scientifico e tecnologico. Inoltre, la disponibilità di nanotubi separati già pronti stimolerà la ricerca di nuove direzioni della loro applicazione.

L'area principale del lavoro futuro è aumentare ulteriormente l'efficienza della separazione mettendo a punto i parametri del processo di separazione e la struttura del cotone idrofilo modificato. La struttura ottimale del cotone idrofilo modificato e le condizioni per la sua produzione non sono ancora del tutto comprese; questa domanda deve essere completamente risolta. Dopo che questo è stato raggiunto, il processo dovrebbe essere ridimensionato a quantità industriali, e nanotubi separati con vari tipi di conduttività dovrebbero essere testati per soluzioni pratiche.

Il documento è stato reso disponibile online e sarà stampato nel giugno 2021.