Trois exemples de partitionnement de nanotubes de carbone en phases liquides. A gauche :nanotubes partitionnés par diamètre. Diamètres plus petits, en bas, apparaissent violets. Centre :partitionné entre semi-conducteurs (ambre, haut) et les métaux. À droite :un échantillon avec une plage de diamètres différente répartie entre les métaux (jaune) et les semi-conducteurs. Les différences de couleur sont dues à des différences de structure électronique. Crédit :Baum/NIST
(Phys.org) —Un vieux, un peu dépassé, astuce utilisée pour purifier des échantillons de protéines en fonction de leur affinité pour l'eau a trouvé de nouveaux fans au National Institute of Standards and Technology, où les scientifiques des matériaux l'utilisent pour diviser des solutions de nanotubes de carbone, séparer les nanotubes métalliques des semi-conducteurs. Ils disent que c'est un rapide, moyen simple et peu coûteux de produire des échantillons de haute pureté de nanotubes de carbone pour une utilisation dans l'électronique à l'échelle nanométrique et de nombreuses autres applications.
Les nanotubes de carbone sont formés de feuilles enroulées d'atomes de carbone disposées selon un motif hexagonal ressemblant à du grillage. L'une des caractéristiques étonnantes des nanotubes est que, en fonction de la façon dont la feuille s'enroule, une qualité appelée chiralité, le tube résultant peut se comporter soit comme un semi-conducteur, aux propriétés diverses, ou comme un métal, avec une conductance électrique jusqu'à 10 fois meilleure que le cuivre. Un gros problème dans la création d'électronique commercialement viable à base de nanotubes est de pouvoir trier efficacement le type que vous voulez.
Réfléchir à la façon de procéder, dit le chercheur du NIST Constantine Khripin, a abordé le sujet des biochimistes et de ce qu'on appelle "l'extraction liquide à deux phases". "Les biologistes l'ont utilisé pour séparer les protéines, même des virus, " dit Khripine, "C'est une vieille technique, c'était populaire dans les années 70, mais ensuite la HPLC [chromatographie liquide à haute performance] a remplacé beaucoup de ces techniques. » Les gens utilisent également la HPLC pour partitionner les nanotubes de carbone, il dit, mais c'est moins réussi. La HPLC divise les choses en exploitant les différences de mobilité des molécules souhaitées lorsqu'elles parcourent de petites colonnes chargées de minuscules sphères, mais les nanotubes de carbone ont tendance à coller aux sphères, réduire le rendement et éventuellement obstruer l'équipement.
Le concept d'extraction liquide est relativement simple. Vous faites un mélange dans l'eau de deux polymères que vous avez sélectionnés pour être juste légèrement différents dans leur "hydrophobie, " ou tendance à se mélanger à l'eau. Ajoutez dans votre échantillon de matière à séparer, remuez vigoureusement et attendez. Les solutions de polymère se sépareront progressivement en deux portions distinctes ou "phases, " le plus léger sur le dessus. Et ils apporteront avec eux les molécules de votre échantillon qui partagent un degré similaire d'hydrophobie.
Il s'avère que cela fonctionne assez bien avec les nanotubes en raison des différences dans leur structure électronique - les formes semi-conductrices, par exemple, sont plus hydrophobes que les formes métalliques. Ce n'est pas parfait, bien sûr, mais quelques séparations séquentielles aboutissent à un échantillon où les formes indésirables sont essentiellement indétectables.
Être honnête. Ce n'est pas si facile. "Non, " d'accord, Khripine, "Les gens ont essayé cela avant et cela n'a pas fonctionné. La percée a été de se rendre compte qu'il faut une différence très subtile entre les deux phases. La différence d'hydrophobie entre les nanotubes est minuscule, minuscule, minuscule." Mais vous pouvez le concevoir en ajoutant soigneusement des sels et des tensioactifs.
"Cette technique utilise des flacons et une centrifugeuse de paillasse d'une valeur de quelques centaines de dollars, et cela prend moins d'une minute, " observe Jeffrey Fagan, membre de l'équipe. " Les autres techniques utilisées nécessitent une HPLC de l'ordre de 50 $, 000 et les rendements sont relativement faibles, ou une ultracentrifugeuse qui met 12 à 20 heures pour séparer les différents métaux des semi-conducteurs, et c'est délicat et lourd."
"Le projet de métrologie des nanotubes du NIST existe depuis de nombreuses années, " déclare Ming Zheng, membre senior de l'équipe. moyens moins chers, que l'industrie peut utiliser dans le développement de la nanoélectronique et d'autres applications. Nous pensons vraiment que nous avons ici une méthode qui correspond à tous les critères que les gens recherchent. C'est facile, c'est évolutif, c'est de la haute résolution, tous les bons attributs réunis."
