Les nanotubes de carbone qui ont tendance à s'emmêler comme des spaghettis peuvent utiliser une petite sauce spéciale pour réaliser leur plein potentiel.

Les scientifiques de l'Université Rice ont mis au point juste la sauce, un solvant à base d'acide qui simplifie le traitement des nanotubes de carbone d'une manière plus facile à mettre à l'échelle pour les applications industrielles.

Le laboratoire Rice de Matteo Pasquali rapporté dans Science Advances sur sa découverte d'une combinaison unique d'acides qui permet de séparer les nanotubes dans une solution et de les transformer en films, fibres ou autres matériaux dotés d'excellentes propriétés électriques et mécaniques.

L'étude co-dirigée par l'ancien diplômé Robert Headrick et l'étudiant diplômé Steven Williams rapporte que le solvant est compatible avec les procédés de fabrication conventionnels. Cela devrait l'aider à trouver une place dans la production de matériaux avancés pour de nombreuses applications.

"Il y a une prise de conscience croissante que ce n'est probablement pas une bonne idée d'augmenter l'extraction du cuivre, de l'aluminium et du nickel", a déclaré Pasquali, A.J. de Rice. Professeur Hartsook et professeur de génie chimique et biomoléculaire, de chimie et de science des matériaux et de nano-ingénierie. Il est également directeur du Rice-based Carbon Hub, qui promeut le développement de matériaux carbonés avancés au profit de l'environnement.

"Mais il y a cette opportunité géante d'utiliser les hydrocarbures comme minerai", a-t-il déclaré. "Dans cette optique, nous devons élargir autant que possible la gamme dans laquelle nous pouvons utiliser des matériaux en carbone, en particulier lorsqu'ils peuvent déplacer des métaux avec un produit qui peut être fabriqué de manière durable à partir d'une matière première comme les hydrocarbures." Pasquali a noté que ces processus de fabrication produisent également de l'hydrogène propre.

"Le carbone est abondant, nous contrôlons les chaînes d'approvisionnement et nous savons comment l'extraire de manière écologiquement responsable", a-t-il déclaré.

Une meilleure façon de traiter le carbone aidera. Le solvant est à base d'acides méthanesulfonique (MSA), p-toluènesulfonique (pToS) et oléum qui, lorsqu'ils sont combinés, sont moins corrosifs que ceux actuellement utilisés pour traiter les nanotubes en solution. La séparation des nanotubes (que les chercheurs appellent la dissolution) est une étape nécessaire avant qu'ils puissent être extrudés à travers une aiguille ou un autre dispositif où les forces de cisaillement aident à les transformer en fibres ou feuilles familières.

L'oléum et les acides chlorosulfoniques sont utilisés depuis longtemps pour dissoudre les nanotubes sans modifier leurs structures, mais tous deux sont très corrosifs. En combinant l'oléum avec deux acides plus faibles, l'équipe a développé un processus largement applicable qui permet une nouvelle fabrication de produits à base de nanotubes.

"L'oléum entoure chaque nanotube individuel et lui donne une charge positive très localisée", a déclaré Headrick, aujourd'hui chercheur chez Shell. "Cette charge les fait se repousser."

Après démêlage, les acides plus doux séparent davantage les nanotubes. Ils ont découvert que le MSA est le meilleur pour la filature de fibres et la production de films roll-to-roll, tandis que le pToS, un solide qui fond à 40 degrés Celsius (104 degrés Fahrenheit), est particulièrement utile pour les applications d'impression 3D car il permet de traiter des solutions de nanotubes à une température modérée puis solidifié par refroidissement.

Les chercheurs ont utilisé ces solutions cristallines liquides stables pour fabriquer des objets de manière moderne et traditionnelle, en imprimant en 3D des aérogels de nanotubes de carbone et des motifs de sérigraphie sur une variété de surfaces, y compris le verre.

Les solutions ont également permis la production rouleau à rouleau de films transparents pouvant être utilisés comme électrodes. "Honnêtement, c'était un peu surprenant de voir à quel point cela fonctionnait", a déclaré Headrick. "Il s'est avéré plutôt impeccable dès le premier essai."

Les chercheurs ont noté que l'oléum nécessite toujours une manipulation prudente, mais une fois dilué avec les autres acides, la solution est beaucoup moins agressive pour les autres matériaux.

"Les acides que nous utilisons sont tellement plus doux que vous pouvez les utiliser avec des plastiques courants", a déclaré Headrick. "Cela ouvre la porte à de nombreuses techniques de traitement des matériaux et d'impression qui sont déjà en place dans les installations de fabrication.

"C'est également très important pour intégrer des nanotubes de carbone dans d'autres appareils, en les déposant comme une étape dans un processus de fabrication d'appareils", a-t-il déclaré.

Ils ont signalé que les solutions moins corrosives ne dégageaient pas de fumées nocives et étaient plus faciles à nettoyer après la production. Le MSA et le pToS peuvent également être recyclés après le traitement des nanotubes, ce qui réduit leur impact sur l'environnement et les coûts énergétiques et de traitement.

Williams a déclaré que la prochaine étape consiste à affiner le solvant pour les applications et à déterminer comment des facteurs tels que la chiralité et la taille affectent le traitement des nanotubes. "Il est vraiment important que nous disposions de tubes de grande qualité, propres et de grand diamètre", a-t-il déclaré.

Les co-auteurs de l'article sont l'ancienne élève Lauren Taylor et les étudiants diplômés Oliver Dewey et Cedric Ginestra de Rice; l'étudiant diplômé Crystal Owens et les professeurs Gareth McKinley et A. John Hart au Massachusetts Institute of Technology; l'ancienne Lucy Liberman, l'étudiante diplômée Asia Matatyaho Ya'akobi et Yeshayahu Talmon, professeur émérite de génie chimique, au Technion-Israel Institute of Technology, Haïfa, Israël; et Benji Maruyama, responsable des matériaux autonomes à la Direction des matériaux et de la fabrication, Air Force Research Laboratory. + Explorer plus loin

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