Los nanotubos de carbono que son propensos a enredarse como los espaguetis pueden usar un poco de salsa especial para desarrollar todo su potencial.

Los científicos de la Universidad de Rice han ideado solo la salsa, un solvente a base de ácido que simplifica el procesamiento de nanotubos de carbono de una manera que es más fácil de escalar para aplicaciones industriales.

El laboratorio Rice de Matteo Pasquali informó en Science Advances en su descubrimiento de una combinación única de ácidos que ayuda a separar los nanotubos en una solución y convertirlos en películas, fibras u otros materiales con excelentes propiedades eléctricas y mecánicas.

El estudio codirigido por el ex alumno de posgrado Robert Headrick y el estudiante de posgrado Steven Williams informa que el solvente es compatible con los procesos de fabricación convencionales. Eso debería ayudarlo a encontrar un lugar en la producción de materiales avanzados para muchas aplicaciones.

“Hay una creciente comprensión de que probablemente no sea una buena idea aumentar la extracción de cobre, aluminio y níquel”, dijo Pasquali, A.J. Hartsook Professor y profesor de ingeniería química y biomolecular, química y ciencia de los materiales y nanoingeniería. También es director de Rice-based Carbon Hub, que promueve el desarrollo de materiales de carbono avanzados en beneficio del medio ambiente.

"Pero existe esta gran oportunidad de usar hidrocarburos como nuestro mineral", dijo. "En ese sentido, debemos ampliar tanto como sea posible el rango en el que podemos usar materiales de carbono, especialmente donde puede desplazar a los metales con un producto que se puede fabricar de manera sostenible a partir de una materia prima como los hidrocarburos". Pasquali señaló que estos procesos de fabricación también producen hidrógeno limpio.

"El carbono es abundante, controlamos las cadenas de suministro y sabemos cómo sacarlo de una manera ambientalmente responsable", dijo.

Una mejor manera de procesar el carbono ayudará. El solvente se basa en ácidos metanosulfónico (MSA), p-toluenosulfónico (pToS) y oleum que, cuando se combinan, son menos corrosivos que los que se usan actualmente para procesar nanotubos en una solución. La separación de los nanotubos (a lo que los investigadores se refieren como disolución) es un paso necesario antes de que puedan extruirse a través de una aguja u otro dispositivo donde las fuerzas de corte ayuden a convertirlos en fibras o láminas familiares.

Los ácidos oleum y clorosulfónico se han utilizado durante mucho tiempo para disolver nanotubos sin modificar sus estructuras, pero ambos son altamente corrosivos. Al combinar oleum con dos ácidos más débiles, el equipo desarrolló un proceso ampliamente aplicable que permite una nueva fabricación de productos de nanotubos.

"El oleum rodea cada nanotubo individual y le da una carga positiva muy localizada", dijo Headrick, ahora científico investigador de Shell. "Esa carga hace que se repelan entre sí".

Después de desenredar, los ácidos más suaves separan aún más los nanotubos. Descubrieron que MSA es mejor para el hilado de fibra y la producción de películas de rollo a rollo, mientras que pToS, un sólido que se funde a 40 grados Celsius (104 grados Fahrenheit), es particularmente útil para aplicaciones de impresión 3D porque permite que las soluciones de nanotubos se procesen en una temperatura moderada y luego solidificado por enfriamiento.

Los investigadores utilizaron estas soluciones cristalinas líquidas estables para hacer cosas tanto de forma moderna como tradicional, imprimiendo en 3D aerogeles de nanotubos de carbono y patrones de serigrafía en una variedad de superficies, incluido el vidrio.

Las soluciones también permitieron la producción rollo a rollo de películas transparentes que pueden usarse como electrodos. "Honestamente, fue un poco sorprendente lo bien que funcionó", dijo Headrick. "Salió bastante impecable en el primer intento".

Los investigadores notaron que el oleum aún requiere un manejo cuidadoso, pero una vez diluido con los otros ácidos, la solución es mucho menos agresiva con otros materiales.

"Los ácidos que estamos usando son mucho más suaves que se pueden usar con plásticos comunes", dijo Headrick. "Eso abre la puerta a una gran cantidad de técnicas de impresión y procesamiento de materiales que ya se encuentran en las instalaciones de fabricación.

"También es muy importante para integrar nanotubos de carbono en otros dispositivos, depositándolos como un paso en un proceso de fabricación de dispositivos", dijo.

Informaron que las soluciones menos corrosivas no emitían gases nocivos y eran más fáciles de limpiar después de la producción. MSA y pToS también se pueden reciclar después de procesar los nanotubos, lo que reduce su impacto ambiental y los costos de energía y procesamiento.

Williams dijo que el siguiente paso es ajustar el solvente para las aplicaciones y determinar cómo factores como la quiralidad y el tamaño afectan el procesamiento de nanotubos. "Es realmente importante que tengamos tubos de gran diámetro, limpios y de alta calidad", dijo.

Los coautores del artículo son la alumna Lauren Taylor y los estudiantes graduados Oliver Dewey y Cedric Ginestra de Rice; la estudiante de posgrado Crystal Owens y los profesores Gareth McKinley y A. John Hart del Instituto Tecnológico de Massachusetts; la exalumna Lucy Liberman, estudiante de posgrado Asia Matatyaho Ya'akobi y Yeshayahu Talmon, profesor emérito de ingeniería química, en el Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel; y Benji Maruyama, líder autónomo de materiales en la Dirección de Materiales y Fabricación, Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. + Explora más

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