(PhysOrg.com) - Un equipo de investigadores de nanotecnología de la Universidad de Maryland ha resuelto uno de los desafíos más irritantes que obstaculizan el uso de nanomateriales de carbono para un mejor almacenamiento de energía eléctrica o mejoran las capacidades de detección de fluorescencia de los biosensores. Los hallazgos aparecen en la edición del 12 de julio de Comunicaciones de la naturaleza .

La investigación revolucionaria fue dirigida por el profesor Yu Huang Wang del Departamento de Química y Bioquímica y realizada en el Centro de Nanoestructuras para Almacenamiento de Energía Eléctrica de la universidad (un Centro de Investigación de Frontera Energética del Departamento de Energía). Northwestern University, y el Maryland NanoCenter.

Se reconoce que los nanotubos de carbono (CNT) tienen un potencial enorme. Son algunas de las estructuras más conductoras jamás fabricadas:electrodos altamente eficientes con una enorme superficie. Para aprovechar al máximo estas propiedades, sin embargo, Los CNT deben ser solubles, es decir, tienen la capacidad de dispersarse en un entorno líquido o de revestir uniformemente un material compuesto sólido. Desafortunadamente, en su estado bruto, los CNT son insolubles; se agrupan en lugar de dispersarse.

Durante más de una década, Los investigadores han estado desarrollando nuevos procesos químicos para abordar este desafío. Una idea ha sido crear defectos permanentes en las superficies de los NTC y "funcionalizarlos" para que sean solubles. Desafortunadamente, esto también tiene el efecto secundario no deseado de destruir rápidamente las propiedades eléctricas y ópticas de los CNT.

Wang y su equipo han desarrollado un nuevo proceso de funcionalización para CNT que ofrece solubilidad y conserva las propiedades eléctricas y ópticas. Funcionalizan intencionalmente defectos en los tubos en lugares útiles, no aleatorios, creando "grupos funcionales" estratégicos. Estos grupos moleculares cuidadosamente colocados permiten que los CNT se dispersen fácilmente mientras conservan sus propiedades ópticas y su capacidad para conducir corriente eléctrica en grandes regiones a lo largo del tubo.

El desafío ha sido controlar las reacciones químicas que producen los grupos funcionales en los CNT. Mediante el uso de un proceso químico llamado alquilcarboxilación reductora de Billups-Birch, El equipo de Wang descubrió que podían agregar progresivamente nuevos grupos funcionales al muro CNT de forma controlada sin introducir nuevos defectos no deseados.

Cuando los CNT se sumergen en una solución química durante un período de tiempo específico, los grupos funcionalizados en los nanotubos se alargan en una cantidad predecible. Cada vez que se repite el proceso, o a medida que aumenta el tiempo en la solución, las secciones crecen más. Cuando los CNT se ven bajo un especial, microscopio electrónico de gran aumento, es evidente que la funcionalización ha progresado longitudinalmente a lo largo del tubo.

La propagación puede iniciarse a partir de defectos naturales o introducidos intencionalmente. Debido a que el mecanismo de propagación limita la reacción y controla estratégicamente dónde crecen los grupos funcionales, El equipo de Wang puede producir grupos funcionales agrupados de forma controlada tasa de propagación constante. Es el primer proceso de química húmeda claramente establecido que lo hace.

El avance hace posible crear nuevas estructuras funcionales como nanotubos "en bandas" con segmentos alternos de regiones funcionalizadas e intactas. Las regiones funcionalizadas evitan que los CNT se agrupen, haciéndolos entre los NTC más solubles en agua conocidos. Al mismo tiempo, las bandas de intacto, Las regiones no funcionalizadas de los CNT permiten conservar las propiedades eléctricas y ópticas.

"Esto es importante para el uso futuro de estos materiales en baterías y celdas solares donde se busca una recolección y transporte de carga eficientes, "Explica Wang." Estos CNT también podrían usarse como sensores bioquímicos altamente sensibles debido a su fuerte absorción óptica y fluorescencia de larga duración en las regiones del infrarrojo cercano donde los tejidos son casi ópticamente transparentes ".

"Este es un paso importante hacia la construcción de nanoestructuras controladas necesarias para comprender la ciencia electroquímica y su valor para las soluciones energéticas, "dice el director del NanoCenter de la Universidad de Maryland, Profesor Gary Rubloff, un colaborador en el proyecto.