Les "cages" d'éther couronne piègent les ions potassium mais laissent des nanotubes avec une charge négative répulsive dans des solutions qui seront précieuses pour former de très fortes, fibres de nanotubes de carbone hautement conductrices. La découverte de l'Université Rice apparaît dans ACS Nano . Crédit : Groupe Martí/Université du riz
(Phys.org) — La stratégie prudente d'un laboratoire de l'Université Rice transforme les nanotubes de carbone chargés négativement en cristaux liquides qui pourraient améliorer la création de fibres et de films.
La dernière étape vers la fabrication de macromatériaux à partir de nanotubes microscopiques dépend des éthers couronnes en forme de cage qui capturent les cations potassium. Les nanotubes de carbone chargés négativement s'associent aux cations potassium pour maintenir leur neutralité électrique. En effet, les éthers aident à retirer ces cations de la surface des nanotubes, résultant en une charge nette qui aide à contrebalancer l'attraction électrique de van der Waals qui transforme normalement les nanotubes de carbone en un bloc inutilisable.
Le procédé du chimiste de Rice Angel Martí, ses étudiants et collègues a été révélé dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .
Les nanotubes de carbone ont longtemps été considérés comme une base potentielle pour fibres hautement conductrices - une prémisse confirmée dans les travaux récents du professeur et co-auteur de Rice Matteo Pasquali - et leur préparation a dépendu de l'utilisation d'un "superacide, " acide chlorosulfonique, cela donne aux nanotubes une charge positive et les fait se repousser dans une solution.
Martí et les premiers auteurs Chengmin Jiang et Avishek Saha, tous deux étudiants diplômés de Rice, décidé d'envisager la production de solutions de nanotubes sous un autre angle. "On a vu dans la littérature qu'il y avait un moyen de faire l'inverse et de donner à la surface des nanotubes des charges négatives, " a déclaré Martí. Il s'agissait d'infuser des nanotubes de carbone à paroi simple avec des métaux alcalins, dans ce cas, potassium, et les transformer en une sorte de sel connu sous le nom de polyélectrolyte. Les mélanger dans un solvant organique, diméthylsulfoxyde (DMSO), forcé les nanotubes chargés négativement à évacuer des ions potassium et à se repousser, mais à des concentrations trop faibles pour l'extrusion en fibres et films.
Cela a nécessité l'ajout de molécules d'éther connues sous le nom de 18-couronne-6 pour leurs arrangements atomiques en forme de couronne. Les couronnes ont un appétit particulier pour le potassium; ils enlèvent les ions restants des parois des nanotubes et les séquestrent. Les qualités répulsives des tubes deviennent plus grandes et permettent plus de nanotubes dans une solution avant que van der Waals ne les oblige à coaguler.
Des nanotubes répartis sur la surface d'une lame démontrent que les charges négatives appliquées aux tubes sont efficaces pour les disperser. La recherche à l'Université Rice contribuera à une création plus efficace de matériaux à grande échelle à partir de nanotubes. Crédit : Groupe Martí/Université du riz
A la masse critique, les nanotubes en suspension s'échappent de la pièce et forment un cristal liquide, dit Marti. « Ils s'alignent lorsqu'ils sont tellement encombrés dans la solution qu'ils ne peuvent pas se rapprocher davantage dans un état aligné au hasard, " a-t-il dit. " Les répulsions électrostatiques empêchent les interactions de van der Waals de prendre le dessus, donc les nanotubes n'ont pas d'autre choix que de s'aligner, formation de cristaux liquides."
Les nanotubes cristallins liquides sont essentiels à la production de solides, fibre conductrice, comme la fibre obtenue avec des suspensions superacides. Mais Martí a déclaré que devenir négatif signifie que les nanotubes peuvent être plus facilement fonctionnalisés, c'est-à-dire chimiquement modifié pour des usages spécifiques.
"Les charges négatives à la surface des nanotubes permettent des réactions chimiques que l'on ne peut pas faire avec les superacides, " dit Marti. " Vous pouvez, par exemple, pouvoir fonctionnaliser la surface des nanotubes de carbone en même temps que vous fabriquez de la fibre. Vous pourrez peut-être réticuler des nanotubes pour fabriquer une fibre plus solide tout en l'extrudant.
« Nous pensons apporter un nouvel acteur dans le domaine des nanotechnologies du carbone, notamment pour la fabrication de matériaux macroscopiques, " il a dit.
