Uma nova maneira de criar nanotubos: agora em cores

Nanotubos de carbono tornaram-se parte integrante da tecnologia moderna. Isso foi atendido por suas propriedades mecânicas e eletrônicas, bem como pelos tamanhos dos nanômetros. Este material é usado em muitos campos: de baterias a displays. A qualidade dos nanotubos, em grande medida, depende do índice de quiralidade (quando não há simetria entre os lados direito e esquerdo). Quanto menor esse indicador, melhor será o nanotubo. Já existem várias opções para a criação de nanotubos, e todas elas funcionam. Mas isso não significa que alguns entusiastas não tentarão criar uma nova maneira, que será melhor que seus antecessores. É isso que será discutido no estudo, no qual trataremos com você. Vamos lá

Antecedentes

Para começar, lembre-se brevemente de que existe um nanotubo de carbono. Isso pode ser entendido simplesmente pelo nome desse material. Em primeiro lugar, é uma estrutura cilíndrica (tubo) de planos de grafite, cujas dimensões podem ser da ordem de vários nanômetros. Existem dois tipos principais de nanotubos: paredes simples e paredes múltiplas (imagem abaixo).



No estudo de hoje, falaremos sobre paredes simples. Para que o novo método de criação de nanotubos seja comparado, os pesquisadores citam vários métodos existentes como um exemplo que pode obter uma distribuição de baixa quiralidade, o que é extremamente importante para os nanotubos. O primeiro método - processamento pós-sintético - geralmente é baseado em tais técnicas:

• cromatografia de troca iônica * (IEX) de nanotubos de parede única torcidos como DNA;
• centrifugação por gradiente de densidade * (DGU);
• cromatografia de exclusão por tamanho * ;
• separação de água em duas fases * .

Cromatografia de troca iônica * - um método para a separação de íons e moléculas polares com base nas cargas das moléculas separadas.

Centrifugação por gradiente de densidade * - separação de macromoléculas com base em sua distribuição em diferentes partes do gradiente em densidade.

Cromatografia de exclusão por tamanho * - separação de moléculas por tamanho devido à sua excelente capacidade de penetrar nos poros de uma fase sólida (ou líquida) ligada a um veículo inerte.

Separação de água em duas fases * - distribuição de partículas entre as fases de um sistema de água em duas fases.

Todas as técnicas acima estão de alguma forma ligadas à dissolução de algo em algo. Os pesquisadores acreditam que esse é um grande problema, pois a amostra pode estar contaminada durante a dissolução. E isso afetará negativamente a qualidade do nanotubo, como resultado, e suas propriedades.

O segundo método é o crescimento direto de nanotubos de parede única. O que, segundo os cientistas, é desprovido do problema de poluição acima. Nanotubos em crescimento usam seus segmentos individuais, implantes moleculares de carbono e catalisadores. A principal desvantagem do crescimento é a complexidade desse processo e um pequeno resultado.

Existe outra maneira de criar nanotubos, que, à primeira vista, não apresentam desvantagens, é a deposição química de vapor com um catalisador flutuante (FC-CVD). Os nanotubos podem ser produzidos dessa maneira rapidamente e em grandes volumes, e suas propriedades não serão afetadas por mudanças negativas. Além disso, os nanotubos podem ser montados em um filtro de membrana para formar filmes finos prontos para uso. Tudo parece muito róseo, mas aqui está um momento complicado. Por estar em meio aerossol, os catalisadores podem causar dificuldades no processo de crescimento seletivo de nanotubos com baixa quiralidade. Este problema pode ser resolvido através da introdução de uma pequena quantidade de NH3, que pode restringir a distribuição quiral. No entanto, os átomos de N podem contaminar os nanotubos em altas temperaturas, alterando suas propriedades eletrônicas.

Dessa forma, não consideraremos, sempre haverá algum tipo de desvantagem desagradável a ser considerada. No entanto, os pesquisadores propuseram uma opção quando você pode evitar os problemas acima.

Criação de amostra e resultados

Os cientistas decidiram não criar uma nova maneira de criar nanotubos, mas melhorar a já existente, a deposição de vapor químico com um catalisador flutuante. O método de melhoria acabou sendo bastante simples - adicionando uma pequena quantidade de CO ₂ .

E agora em ordem. Nanotubos de parede única foram sintetizados a partir de CO (fonte de carbono) a uma vazão volumétrica de 350 cm ³ / min. O ferroceno ((η5-C5H5) 2Fe) atuou como um catalisador, transportado por uma corrente de CO a 50 cm3 / min.

O processo de crescimento de nanotubos foi ajustado pela introdução de vários volumes de CO ₂ no reator com um fluxo de volume de 0, 1, 1,5 e 2,0 cm ³ / min, o que corresponde a essas frações de volume: 0, 0,25, 0,37 e 0,50% em volume. A temperatura era de 850 ou 880 ° C.


Diagrama de operação do reator

A introdução de um volume diferente de CO ₂ levou ao fato de os filmes de nanotubos serem obtidos em cores diferentes. Isso é claramente visto na imagem abaixo. Estes filmes foram obtidos a uma temperatura de 850 ° C.



Após realizar a microscopia eletrônica de transmissão e a espectroscopia de dispersão de energia por raios X, os cientistas descobriram que a diferença de cor não afeta o desempenho geral das nanopartículas e tamanho. Também foi revelado que as amostras têm uma alta pureza.


Microscopia eletrônica de transmissão (a, b, c) e microscopia de campo escuro (d, e, f) de três amostras com diferentes frações de volume de CO ₂ .

O diâmetro médio dos nanotubos também depende diretamente da concentração de CO ₂ . Portanto, para 0, 0,25, 0,37 e 0,50% em volume, o diâmetro médio foi de 1,1, 1,3, 1,8 e 1,9 nm, respectivamente.

Devido ao fato de que a cor do filme e o diâmetro dos nanotubos refletem a concentração de CO ₂ , é lógico supor que essa impureza, de uma maneira ou de outra, altera as propriedades dos próprios nanotubos.

Na amostra verde (0,25% vol.), São observadas mudanças acentuadas no coeficiente de absorção a um comprimento de onda de cerca de 610 nm, e na amostra marrom (0,37% vol) - a 760 nm.


Espectro de absorção de amostras com diferentes frações volumétricas de CO ₂ .

Porém, outras imagens (0 e 0,5% vol.), Nas quais esses saltos não foram observados, não têm uma cor brilhante, mas permanecem cinza.

Para aprofundar a consideração da dependência da distribuição de quiralidade (n, m) da concentração de CO ₂ , foi realizada uma análise de difração eletrônica da amostra.


Análise de difração de elétrons

A imagem acima ( a ) é uma imagem típica de um nanotubo de parede única e a imagem b é a imagem de difração de elétron (EDP) desse nanotubo. Após análise do espaçamento entre linhas, foi estabelecido o índice de quiralidade - (16.13).


Análise eletrônica de difração da amostra 0 e 0,25% vol.

A realização da mesma análise das amostras de trabalho (imagens acima) mostrou resultados significativamente melhores: (8.7) e (11, 9).

Com o aumento da concentração de CO _{2, o} diâmetro dos nanotubos também aumenta. Com uma fração volumétrica de CO ₂ de 0,25% em volume, o diâmetro é 1,0 - 1,5 nm. Este indicador está diretamente relacionado à taxa de absorção da amostra.

Acontece que, com o diâmetro ideal do nanotubo e um indicador bastante bom da distribuição de quiralidade, a amostra tem uma cor verde. Caso contrário, observamos uma cor cinza. Essa observação deve ser correlacionada com a concentração de CO ₂ , ou seja, seu% ótimo de volume é 0,25.

Outro indicador da estrutura de um nanotubo é o ângulo de quiralidade (o ângulo entre a direção da dobra e a direção na qual os hexágonos adjacentes têm um lado comum).


Para obter o tubo, ou seja, para torcer o plano de grafite, é necessário cortar o último em linhas tracejadas e rolar ao longo do vetor R.

Todas as amostras consideradas (0, 0,25 e 0,50) apresentaram um ângulo de quiralidade completamente satisfatório de 20 ° a 30 °.

Também foi realizada análise de difração de elétrons para verificar as propriedades eletrônicas do feixe de nanotubos. Como se viu, todos os tubos no feixe tinham diferentes ângulos de quiralidade: 3,1 °, 18,9 °, 26,1 °.


Análise eletrônica de difração de um feixe de nanotubos.

Um fato interessante também foi descoberto: com um aumento na concentração de CO ₂ de 0 para 0,50, a porcentagem de nanotubos de metal (significando condutividade elétrica) aumentou de 29,8 para 46,3%. No entanto, quando a concentração atingiu 1,23% vol., A qualidade dos nanotubos diminuiu bastante.

A temperatura desempenha um papel igualmente importante no processo de criação de nanotubos. Em temperaturas mais altas, é possível reduzir a taxa de decomposição de CO (a base dos nanotubos neste estudo). Isto proporcionará uma oportunidade para controlar melhor o processo de síntese com uma distribuição quiral mais baixa.


Variações na quiralidade de (a) e diâmetro (b) dos nanotubos a 0,25% vol. De CO2 e a uma temperatura de 880 ° C.

Comparando esses indicadores com outros semelhantes, mas a uma temperatura de 850 ° C, pode-se observar que a quiralidade era muito menor, concentrada em torno de (11,9). E o diâmetro da maioria dos tubos (mais de 98%) varia na faixa de 1,2 a 1,5 nm, o que é um excelente resultado para este estudo.

Um relatório de cientistas sobre suas pesquisas está disponível aqui . E materiais adicionais (gráficos, figuras, tabelas, etc.) estão aqui .

Epílogo

Os cientistas dizem honestamente que ainda há muito a ser verificado. Para alguns indicadores, como condutividade elétrica e diâmetro, em amostras sem CO ₂ e com CO ₂ não _são tão impressionantes que têm 100% de certeza de uma vitória incondicional. No entanto, a importância do uso de CO ₂ no processo de criação de nanotubos de carbono de parede única é claramente inegável. Essa técnica requer mais estudo e aprimoramento.

Entre outras coisas, os cientistas conseguiram criar nanotubos, cujos filmes diferem em cores devido a diferenças nas propriedades. Uma concentração diferente de CO ₂ altera o diâmetro dos nanotubos e os índices de quiralidade, o que pode resultar em várias opções de cores para os filmes: verde, marrom e cinza. A variedade de cores desses materiais abre novas formas de aplicação, mas também ocorrerão alterações nas existentes.

Este estudo é um exemplo vívido de uma abordagem extraordinária e inovadora para resolver a questão "antiga" e uma demonstração da verdade conhecida "toda engenhosa é simples".

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