Una nueva forma de crear nanotubos: ahora en color

Los nanotubos de carbono se han convertido en una parte integral de la tecnología moderna. Esto fue servido por sus propiedades mecánicas y electrónicas, así como por los tamaños nanométricos. Este material se utiliza en muchos campos: desde baterías hasta pantallas. La calidad de los nanotubos, en gran medida, depende del índice de quiralidad (cuando no hay simetría entre los lados derecho e izquierdo). Cuanto más bajo sea este indicador, mejor será el nanotubo. Ya hay varias opciones para crear nanotubos, y todos funcionan. Pero esto no significa que algunos entusiastas no intenten idear su nueva forma, que será mejor que sus predecesoras. Esto es lo que se discutirá en el estudio, en el que trataremos con usted. Vamos

Antecedentes

Para comenzar, brevemente, recuerde que hay un nanotubo de carbono. Esto simplemente se puede entender por el nombre de este material. En primer lugar, es una estructura cilíndrica (tubo) de planos de grafito, cuyas dimensiones pueden ser del orden de varios nanómetros. Hay dos tipos principales de nanotubos: de pared simple y de pared múltiple (imagen a continuación).



En el estudio de hoy, hablaremos de paredes simples. Para poder comparar el nuevo método de creación de nanotubos, los investigadores citan varios métodos existentes como un ejemplo que puede lograr una distribución de baja quiralidad, que es extremadamente importante para los nanotubos. El primer método, el procesamiento post-sintético, se basa con mayor frecuencia en tales técnicas:

• cromatografía de intercambio iónico * (IEX) de nanotubos de pared simple retorcidos como ADN;
• centrifugación en gradiente de densidad * (DGU);
• cromatografía de exclusión por tamaño * ;
• separación de agua en dos fases * .

Cromatografía de intercambio iónico * : un método para la separación de iones y moléculas polares basado en las cargas de las moléculas separadas.

Centrifugación de gradiente de densidad * : separación de macromoléculas en función de su distribución en diferentes partes del gradiente en densidad.

Cromatografía de exclusión por tamaño * : separación de moléculas por tamaño debido a su excelente capacidad para penetrar en los poros de una fase sólida (o líquida) unida a un vehículo inerte.

Separación de agua en dos fases * : distribución de partículas entre las fases de un sistema de agua en dos fases.

Todas las técnicas anteriores están de alguna manera conectadas con la disolución de algo en algo. Los investigadores creen que este es un gran problema, ya que la muestra puede contaminarse durante la disolución. Y esto afectará negativamente la calidad del nanotubo, como resultado, y sus propiedades.

El segundo método es el crecimiento directo de nanotubos de pared simple. Lo cual, según los científicos, carece del problema de contaminación anterior. Los nanotubos en crecimiento utilizan sus segmentos individuales, implantes moleculares de carbono y catalizadores. La principal desventaja de crecer es la complejidad de este proceso y un pequeño resultado.

Hay otra forma de crear nanotubos, que, a primera vista, está libre de inconvenientes, es la deposición química de vapor con un catalizador flotante (FC-CVD). Los nanotubos se pueden producir de esta manera rápidamente y en grandes volúmenes, y sus propiedades no se verán afectadas por los cambios negativos. Además, los nanotubos se pueden ensamblar en un filtro de membrana para formar películas delgadas listas para usar. Todo suena muy rosado, pero aquí yace un momento complicado. Al estar en un medio de aerosol, los catalizadores pueden causar dificultades en el proceso de crecimiento selectivo de nanotubos con baja quiralidad. Este problema puede resolverse introduciendo una pequeña cantidad de NH ₃ , que puede reducir la distribución quiral. Sin embargo, los átomos de N pueden contaminar los nanotubos a altas temperaturas, cambiando así sus propiedades electrónicas.

De qué manera no lo considere, siempre habrá algún tipo de desventaja desagradable a tener en cuenta. Sin embargo, los investigadores propusieron una opción cuando puede evitar los problemas anteriores.

Creación de muestra y resultados

Los científicos decidieron no idear una nueva forma de crear nanotubos, sino mejorar la existente, a saber, la deposición química de vapor con un catalizador flotante. El método de mejora resultó ser bastante simple: agregar una pequeña cantidad de CO ₂ .

Y ahora en orden. Los nanotubos de pared simple se sintetizaron a partir de CO (fuente de carbono) a un caudal volumétrico de 350 cm ³ / min. El ferroceno ((η ⁵ -C ₅ H ₅ ) ₂ Fe) actuó como catalizador, transportado por una corriente de CO a 50 cm ³ / min.

El proceso de cultivo de nanotubos se ajustó introduciendo varios volúmenes de CO ₂ en el reactor con un flujo de volumen de 0, 1, 1,5 y 2,0 cm ³ / min, que corresponde a tales fracciones de volumen: 0, 0,25, 0,37 y 0,50% en volumen. La temperatura era de 850 u 880 ° C.


Diagrama de operación del reactor

La introducción de un volumen diferente de CO ₂ condujo al hecho de que las películas de nanotubos se obtuvieron en diferentes colores. Esto se ve claramente en la imagen a continuación. Estas películas se obtuvieron a una temperatura de 850 ° C.



Después de realizar la microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopía de rayos X con dispersión de energía, los científicos descubrieron que la diferencia de color no afecta de ninguna manera el rendimiento general de las nanopartículas y el tamaño. También se reveló que las muestras tienen una alta pureza.


Microscopía electrónica de transmisión (a, b, c) y microscopía de campo oscuro (d, e, f) de tres muestras con diferentes fracciones de volumen de CO ₂ .

El diámetro promedio de los nanotubos también depende directamente de la concentración de CO ₂ . Entonces, para 0, 0.25, 0.37 y 0.50% en volumen, el diámetro promedio fue 1.1, 1.3, 1.8 y 1.9 nm, respectivamente.

Debido al hecho de que el color de la película y el diámetro de los nanotubos reflejan la concentración de CO ₂ , es lógico suponer que esta impureza de una forma u otra cambia las propiedades de los nanotubos.

En la muestra verde (0.25% vol.), Se observan cambios bruscos muy pronunciados en el coeficiente de absorción a una longitud de onda de aproximadamente 610 nm, y en la muestra marrón (0.37% vol.) - a 760 nm.


Espectro de absorción de muestras con diferentes fracciones de volumen de CO ₂ .

Pero otras imágenes (0 y 0,5% en volumen), en las que no se observaron tales saltos, no tienen un color brillante, pero permanecen grises.

Para considerar más profundamente la dependencia de la distribución de quiralidad (n, m) de la concentración de CO ₂ , se realizó un análisis electrónico de difracción de la muestra.


Análisis de difracción de electrones.

La imagen de arriba ( a ) es una imagen típica de un nanotubo de pared simple, y la imagen b es la imagen de difracción de electrones (EDP) de este nanotubo. Después de analizar el espacio entre líneas, se estableció el índice de quiralidad - (16.13).


Análisis electrónico de difracción de la muestra 0 y 0.25% vol.

La realización del mismo análisis de muestras de trabajo (imágenes de arriba) mostró resultados significativamente mejores: (8.7) y (11, 9).

Con el aumento de la concentración de CO _{2, el} diámetro de los nanotubos también aumenta. Con una fracción de volumen de CO ₂ de 0.25% en volumen, el diámetro es 1.0 - 1.5 nm. Este indicador está directamente relacionado con la tasa de absorción de la muestra.

Resulta que con el diámetro óptimo del nanotubo y un indicador bastante bueno de la distribución de la quiralidad, la muestra tiene un color verde. De lo contrario, observamos un color gris. Esta observación debería estar correlacionada con la concentración de CO ₂ , es decir, su% vol. Óptimo es 0.25.

Otro indicador de la estructura de un nanotubo es el ángulo de quiralidad (el ángulo entre la dirección de plegado y la dirección en la que los hexágonos adyacentes tienen un lado común).


Para obtener el tubo, es decir, para girar el plano de grafito, debe cortar el último en líneas discontinuas y rodar a lo largo del vector R.

Todas las muestras consideradas (0, 0.25 y 0.50) mostraron un ángulo de quiralidad completamente satisfactorio de 20 ° -30 °.

El análisis de difracción electrónica también se realizó para verificar las propiedades electrónicas del paquete de nanotubos. Al final resultó que, todos los tubos en el paquete tenían diferentes ángulos de quiralidad: 3.1 °, 18.9 °, 26.1 °.


Análisis electrónico de difracción de un paquete de nanotubos.

También se descubrió un hecho interesante: con un aumento en la concentración de CO ₂ de 0 a 0.50, el porcentaje de nanotubos metálicos (es decir, conductividad eléctrica) aumentó de 29.8 a 46.3%. Sin embargo, cuando la concentración alcanzó el 1,23% en volumen, la calidad de los nanotubos disminuyó considerablemente.

La temperatura juega un papel igualmente importante en el proceso de creación de nanotubos. A temperaturas más altas, es posible reducir la tasa de descomposición de CO (la base de los nanotubos en este estudio). Esto proporcionará una oportunidad para controlar mejor el proceso de síntesis con una distribución quiral más baja.


Variaciones en la quiralidad de (a) y el diámetro (b) de los nanotubos a 0,25% en volumen de CO2 y una temperatura de 880 ° C.

Comparando estos indicadores con otros similares, pero a una temperatura de 850 ° C, se puede ver que la quiralidad fue mucho más baja, concentrada alrededor (11.9). Y el diámetro de la mayoría de los tubos (más del 98%) varía en el rango de 1.2-1.5 nm, que es un excelente resultado para este estudio.

Un informe de los científicos sobre su investigación está disponible aquí . Y los materiales adicionales (gráficos, imágenes, tablas, etc.) están aquí .

Epílogo

Los científicos dicen honestamente que queda mucho por verificar. Para algunos indicadores, como la conductividad eléctrica y el diámetro, en muestras sin CO ₂ y con CO ₂ no _son tan impresionantes que estén 100% seguros de una victoria incondicional. Sin embargo, la importancia de usar CO ₂ en el proceso de creación de nanotubos de carbono de pared simple es claramente innegable. Esta técnica requiere más estudio y refinamiento.

Entre otras cosas, los científicos pudieron crear con éxito nanotubos, cuyas películas difieren en color debido a las diferencias en las propiedades. Una concentración diferente de CO ₂ cambia el diámetro de los nanotubos y los índices de quiralidad, lo que puede dar como resultado varias opciones de color para las películas: verde, marrón y gris. La variedad de colores de dichos materiales abre nuevas formas de aplicación, pero también se producirán cambios en los existentes.

Este estudio es un vívido ejemplo de un enfoque extraordinario e innovador para resolver el "viejo" problema y una demostración de la conocida verdad "todo ingenioso es simple".

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