Las nanofibras de carbono en la interfaz entre los sustratos no conductores (izquierda) y conductores (derecha) no se alinean con el campo eléctrico (E), sino orientarse a lo largo de las líneas de flujo de iones. El control de la dirección del flujo de iones proporciona los medios para hacer crecer nanofibras orientadas incluso en materiales aislantes. ampliando así enormemente el espacio de aplicación para este importante material a nanoescala. Crédito:Anatoli Melechko, Universidad Estatal de Carolina del Norte
Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han encontrado una nueva forma de desarrollar nanofibras de carbono directas sobre un sustrato transparente. El cultivo de tales recubrimientos de nanofibras es importante para su uso en nuevas herramientas de investigación biomédica, células solares, revestimientos hidrófugos y otros. La técnica utiliza una rejilla de cromo cargada, y se basa en iones para garantizar que las nanofibras sean rectas, en lugar de rizar, lo que limita su utilidad.
"Esta es la primera vez, que yo sepa, donde alguien ha podido cultivar nanofibras de carbono directas en un sustrato transparente, "dice el Dr. Anatoli Melechko, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en NC State y coautor de un artículo que describe la investigación. "Estas nanofibras se pueden utilizar como herramientas de suministro de genes. Y un sustrato transparente permite a los investigadores ver cómo interactúan las nanofibras con las células, y manipular esta interacción ".
Específicamente, las nanofibras pueden recubrirse con material genético y luego insertarse en el núcleo de una célula, por ejemplo, para facilitar la investigación en terapia génica. El sustrato transparente mejora la visibilidad porque los investigadores pueden hacer brillar la luz a través de él. creando un mejor contraste y facilitando ver lo que está sucediendo.
Los investigadores también descubrieron que los iones juegan un papel clave para garantizar que las nanofibras de carbono sean rectas. Para entender ese papel, necesitas saber cómo funciona la técnica.
Las nanofibras se fabrican distribuyendo nanopartículas de níquel de manera uniforme sobre un sustrato hecho de silicio fundido (que es dióxido de silicio puro). Luego, el sustrato se recubre con una fina rejilla de cromo, que sirve como electrodo. Luego, el sustrato y la rejilla se colocan en una cámara a 700 grados Celsius, que luego se llena con acetileno y gas amoniaco. La rejilla de cromo es un electrodo cargado negativamente, y la parte superior de la cámara contiene un electrodo cargado positivamente.
Luego se aplica voltaje eléctrico a los dos electrodos, creando un campo eléctrico en la cámara que excita los átomos del gas acetileno y amoníaco. Algunos de los electrones de estos átomos se desprenden, creando electrones libres y átomos cargados positivamente llamados iones. Los electrones libres se aceleran alrededor de la cámara, soltando aún más electrones. Los iones cargados positivamente son atraídos hacia la rejilla cargada negativamente en el piso de la cámara.
Mientras tanto, las nanopartículas de níquel sirven como catalizadores, reaccionando con el carbono en el gas acetileno (C 2 H 2 ) para crear nanofibras de carbono grafíticas. El catalizador se monta en la punta de la nanofibra que se forma debajo de él, como un pilar de rápido crecimiento. El término grafítico significa que las nanofibras tienen átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal, como el grafito.
Un problema con el crecimiento de nanofibras de carbono es que la superficie del catalizador puede obstruirse por una película de carbono que bloquea la acción catalítica. impidiendo un mayor crecimiento de nanofibras. Aquí es donde entran esos iones.
Los iones que se atraen a la rejilla de cromo se mueven muy rápidamente, y eligen la ruta más corta posible para llegar al metal cargado negativamente. En su prisa por llegar a la red, los iones a menudo chocan con los catalizadores de níquel, eliminando el exceso de carbono y permitiendo un mayor crecimiento de nanofibras.
Debido a que los iones se atraen a la rejilla de cromo, el ángulo en el que golpean los catalizadores depende de dónde se encuentra el catalizador en relación con la rejilla. Por ejemplo, si miras hacia abajo en la cuadrícula, un catalizador justo a la derecha de la cuadrícula parecerá inclinarse hacia la derecha, porque los iones habrían estado golpeando el lado derecho del catalizador en un intento de alcanzar la cuadrícula. Estas nanofibras siguen siendo rectas, no se enrollan, simplemente se inclinan en una dirección. La mayor parte de las nanofibras, sin embargo, están alineados verticalmente y rectos.
"Este hallazgo nos da la oportunidad de crear nuevos reactores para crear nanofibras, edificio en la rejilla de cromo, "Dice Melechko.
