Bicarbonate de soude, sel de table, et le détergent sont des ingrédients étonnamment efficaces pour la cuisson des nanotubes de carbone, des chercheurs du MIT ont découvert.

Dans une étude publiée cette semaine dans la revue Angewandte Chemie , l'équipe rapporte que les composés contenant du sodium présents dans les ingrédients ménagers courants sont capables de catalyser la croissance des nanotubes de carbone, ou CNT, à des températures beaucoup plus basses que celles requises par les catalyseurs traditionnels.

Les chercheurs affirment que le sodium peut permettre la croissance de nanotubes de carbone sur une multitude de matériaux à basse température, tels que les polymères, qui fondent normalement sous les températures élevées nécessaires à la croissance traditionnelle des NTC.

« Dans les composites aérospatiaux, il y a beaucoup de polymères qui maintiennent les fibres de carbone ensemble, et maintenant nous pouvons être en mesure de cultiver directement des NTC sur des matériaux polymères, rendre plus fort, plus dur, composites plus rigides, " dit Richard Li, l'auteur principal de l'étude et un étudiant diplômé du département d'aéronautique et d'astronautique du MIT. "L'utilisation du sodium comme catalyseur permet vraiment de déverrouiller les types de surfaces sur lesquelles vous pouvez faire pousser des nanotubes."

Les co-auteurs de Li au MIT sont les post-doctorants Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan, et Kehang Cui; ancien élève Akira Kudo Ph.D. '16, Andrew Liotta '16, et Ananth Govind Rajan SM '16, doctorat '19 ; professeur de génie chimique Michael Strano, et professeur d'aéronautique et d'astronautique Brian Wardle, avec des collaborateurs du National Institute of Standards and Technology et de l'Université Harvard.

Éplucher les oignons

Sous un microscope, les nanotubes de carbone ressemblent à des cylindres creux de grillage. Chaque tube est constitué d'un réseau enroulé d'atomes de carbone disposés de manière hexagonale. La liaison entre les atomes de carbone est extraordinairement forte, et lorsqu'il est modelé en un treillis, comme le graphène, ou en tube, comme un CNT, de telles structures peuvent avoir une rigidité et une résistance exceptionnelles, ainsi que des propriétés électriques et chimiques uniques. En tant que tel, les chercheurs ont exploré le revêtement de diverses surfaces avec des NTC pour produire des plus rigide, matériaux plus durs.

Les chercheurs cultivent généralement des NTC sur divers matériaux grâce à un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur. Un matériau d'intérêt, comme les fibres de carbone, est enrobé d'un catalyseur, généralement un composé à base de fer, et placé dans un four, traversé par le dioxyde de carbone et d'autres gaz contenant du carbone. À des températures allant jusqu'à 800 degrés Celsius, le fer commence à tirer des atomes de carbone du gaz, qui se diffusent sur les atomes de fer et entre eux, formant finalement des tubes verticaux d'atomes de carbone autour de fibres de carbone individuelles. Les chercheurs utilisent ensuite diverses techniques pour dissoudre le catalyseur, laissant derrière eux des nanotubes de carbone purs.

Li et ses collègues expérimentaient des moyens de faire pousser des NTC sur diverses surfaces en les enduisant de différentes solutions de composés contenant du fer, lorsque l'équipe a remarqué que les nanotubes de carbone résultants semblaient différents de ce à quoi ils s'attendaient.

"Les tubes avaient l'air un peu drôles, et Rich et l'équipe ont soigneusement épluché l'oignon, comme c'était, et il s'avère qu'une petite quantité de sodium, que nous soupçonnions d'être inactif, causait en fait toute la croissance, " dit Wardle.

Réglage des boutons de sodium

Pour la plupart, le fer a été le catalyseur traditionnel de la croissance des NTC. Wardle dit que c'est la première fois que les chercheurs voient le sodium avoir un effet similaire.

"Le sodium et d'autres métaux alcalins n'ont pas été explorés pour la catalyse des NTC, " Wardle dit. "Ce travail nous a conduit à une partie différente du tableau périodique."

Pour s'assurer que leur observation initiale n'était pas un simple coup de chance, l'équipe a testé une gamme de composés contenant du sodium. Ils ont d'abord expérimenté avec du sodium de qualité commerciale, sous forme de bicarbonate de soude, sel de table, et pastilles détergentes, qu'ils ont obtenu du dépanneur du campus. Finalement, cependant, ils sont passés à des versions purifiées de ces composés, qu'ils ont dissous dans l'eau. Ils ont ensuite immergé une fibre de carbone dans la solution de chaque composé, enrober toute la surface de sodium. Finalement, ils ont placé le matériau dans un four et ont effectué les étapes typiques impliquées dans le processus de dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître les NTC.

En général, ils ont trouvé que, tandis que les catalyseurs au fer forment des nanotubes de carbone à environ 800 degrés Celsius, les catalyseurs au sodium ont pu former court, forêts denses de NTC à des températures beaucoup plus basses, d'environ 480 C. De plus, après que les surfaces aient passé environ 15 à 30 minutes dans le four, le sodium s'est simplement vaporisé, laissant derrière eux des nanotubes de carbone creux.

"Une grande partie de la recherche sur les CNT ne porte pas sur leur culture, mais en les nettoyant - obtenir les différents métaux utilisés pour les faire pousser hors du produit, " Wardle dit. " La bonne chose avec le sodium est, on peut juste le chauffer et s'en débarrasser, et obtenez du CNT pur comme produit, ce que vous ne pouvez pas faire avec les catalyseurs traditionnels."

Li dit que les travaux futurs pourraient se concentrer sur l'amélioration de la qualité des NTC qui sont cultivés à l'aide de catalyseurs au sodium. Les chercheurs ont observé que si le sodium était capable de générer des forêts de nanotubes de carbone, les parois des tubes n'étaient pas parfaitement alignées selon des motifs parfaitement hexagonaux, des configurations semblables à des cristaux qui confèrent aux NTC leur résistance caractéristique. Li prévoit de "régler divers boutons" dans le processus CVD, changer l'heure, Température, et les conditions environnementales, pour améliorer la qualité des NTC cultivés au sodium.

"Il y a tellement de variables avec lesquelles vous pouvez encore jouer, et le sodium peut encore assez bien concurrencer les catalyseurs traditionnels, " dit Li. " Nous anticipons avec le sodium, il est possible d'obtenir des tubes de haute qualité à l'avenir. Et nous avons une assez grande confiance que, même si vous utilisiez du bicarbonate de soude Arm and Hammer ordinaire, ça devrait marcher."

Pour Shigeo Maruyama, professeur de génie mécanique à l'Université de Tokyo, la capacité de préparer des NTC à partir d'un ingrédient aussi courant que le sodium devrait révéler de nouvelles informations sur la façon dont ces matériaux exceptionnellement solides se développent.

« C'est une surprise que nous puissions faire pousser des nanotubes de carbone à partir de sel de table ! » dit Maruyama, qui n'a pas participé à la recherche. « Même si la croissance par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) des nanotubes de carbone est étudiée depuis plus de 20 ans, personne n'a essayé d'utiliser un métal du groupe alcalin comme catalyseur. Ce sera un bon indice pour la compréhension entièrement nouvelle du mécanisme de croissance des nanotubes de carbone. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.