À gauche :la réaction d'alkylcarboxylation de Billups-Birch permet aux groupes fonctionnels de se propager dans le NTC à partir de points de défauts préexistants. À droite :la microscopie électronique montre des NTC « à bandes » avec des régions fonctionnalisées et intactes distinctes sur toute leur longueur. Crédits photos :Nature Communications.
(PhysOrg.com) -- Une équipe de chercheurs en nanotechnologie de l'Université du Maryland a résolu l'un des défis les plus épineux entravant l'utilisation de nanomatériaux de carbone pour un meilleur stockage d'énergie électrique ou en améliorant les capacités de détection de fluorescence des biocapteurs. Les résultats sont publiés dans le numéro du 12 juillet de Communication Nature .
La recherche révolutionnaire a été dirigée par le professeur Yu Huang Wang du département de chimie et de biochimie et menée dans le centre de stockage des nanostructures pour l'énergie électrique de l'université (un centre de recherche sur la frontière énergétique du département de l'énergie), Université du nord-ouest, et le Maryland NanoCenter.
Les nanotubes de carbone (CNT) sont reconnus comme ayant un potentiel énorme. Ce sont quelques-unes des structures les plus conductrices jamais réalisées, des électrodes hautement efficaces avec une surface énorme. Pour profiter pleinement de ces propriétés, cependant, Les NTC doivent être solubles, c'est-à-dire ont la capacité d'être dispersés dans un environnement liquide ou de recouvrir uniformément un matériau composite solide. Malheureusement, à l'état brut les NTC sont insolubles; ils s'agglutinent plutôt qu'ils ne se dispersent.
Depuis plus d'une décennie, les chercheurs ont développé de nouveaux procédés chimiques pour relever ce défi. Une idée a été de créer des défauts permanents à la surface des NTC et de les "fonctionnaliser" afin qu'ils soient solubles. Malheureusement, ceci a également pour effet secondaire indésirable de détruire rapidement les propriétés électriques et optiques des NTC.
Wang et son équipe ont développé un nouveau procédé de fonctionnalisation pour les NTC qui assure la solubilité et préserve les propriétés électriques et optiques. Ils fonctionnalisent volontairement des défauts sur les tubes dans des endroits utiles et non aléatoires, créer des « groupes fonctionnels » stratégiques. Ces groupes moléculaires soigneusement placés permettent aux NTC de se disperser facilement tout en conservant leurs propriétés optiques et leur capacité à conduire le courant électrique dans de grandes régions le long du tube.
Le défi a été de contrôler les réactions chimiques qui produisent les groupes fonctionnels sur les NTC. En utilisant un processus chimique appelé alkylcarboxylation réductrice Billups-Birch, L'équipe de Wang a découvert qu'elle pouvait progressivement ajouter de nouveaux groupes fonctionnels à la paroi CNT de manière contrôlée sans introduire de nouveaux défauts involontaires.
Lorsque les NTC sont immergés dans une solution chimique pendant une durée déterminée, les groupes fonctionnalisés sur les nanotubes s'allongent d'une quantité prévisible. Chaque fois que le processus est répété, ou à mesure que le temps dans la solution augmente, les sections s'allongent. Lorsque les CNT sont visionnés sous un spécial, microscope électronique à fort grossissement, il est évident que la fonctionnalisation a progressé dans le sens de la longueur le long du tube.
La propagation peut s'amorcer à partir de défauts naturels ou introduits intentionnellement. Parce que le mécanisme de propagation confine la réaction et contrôle stratégiquement où les groupes fonctionnels se développent, L'équipe de Wang peut produire des groupes fonctionnels regroupés à un niveau contrôlé, vitesse de propagation constante. C'est le premier procédé de chimie humide clairement établi à le faire.
La percée permet de créer de nouvelles structures fonctionnelles telles que des nanotubes « à bandes » avec des segments alternés de régions fonctionnalisées et intactes. Les régions fonctionnalisées empêchent les NTC de s'agglutiner, ce qui en fait l'un des NTC les plus hydrosolubles connus. À la fois, les bandes intactes, des régions non fonctionnalisées des NTC permettent de conserver les propriétés électriques et optiques.
« Ceci est important pour l'utilisation future de ces matériaux dans les batteries et les cellules solaires où une collecte et un transport efficaces des charges sont recherchés, ", explique Wang. "Ces NTC pourraient également être utilisés comme capteurs biochimiques très sensibles en raison de leur forte absorption optique et de leur fluorescence de longue durée dans le proche infrarouge où les tissus sont presque optiquement transparents."
"C'est une étape majeure vers la construction des nanostructures contrôlées nécessaires pour comprendre la science électrochimique et sa valeur pour les solutions énergétiques, " déclare le directeur du NanoCenter de l'Université du Maryland, Professeur Gary Rubloff, un collaborateur sur le projet.
