Bicarbonato de sodio, sal de mesa, y el detergente son ingredientes sorprendentemente eficaces para cocinar nanotubos de carbono, investigadores del MIT han encontrado.

En un estudio publicado esta semana en la revista Angewandte Chemie , el equipo informa que los compuestos que contienen sodio que se encuentran en los ingredientes domésticos comunes pueden catalizar el crecimiento de nanotubos de carbono, o CNT, a temperaturas mucho más bajas que las que requieren los catalizadores tradicionales.

Los investigadores dicen que el sodio puede hacer posible que los nanotubos de carbono se cultiven en una serie de materiales de temperatura más baja. como polímeros, que normalmente se derriten bajo las altas temperaturas necesarias para el crecimiento tradicional de CNT.

"En compuestos aeroespaciales, hay muchos polímeros que mantienen unidas las fibras de carbono, y ahora podemos cultivar CNT directamente en materiales poliméricos, para hacer más fuerte, más duro compuestos más rígidos, "dice Richard Li, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT. "El uso de sodio como catalizador realmente desbloquea los tipos de superficies en las que se pueden cultivar nanotubos".

Los coautores del MIT de Li son los postdoctorados Erica Antunes, Estelle Kalfon-Cohen, Luiz Acauan, y Kehang Cui; ex alumno Akira Kudo Ph.D. 'dieciséis, Andrew Liotta '16, y Ananth Govind Rajan SM '16, Doctor. '19; profesor de ingeniería química Michael Strano, y el profesor de aeronáutica y astronáutica Brian Wardle, junto con colaboradores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Harvard.

Pelar cebollas

Bajo un microscopio Los nanotubos de carbono se asemejan a cilindros huecos de alambre de gallinero. Cada tubo está hecho de una red enrollada de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente. El enlace entre los átomos de carbono es extraordinariamente fuerte, y cuando se modela en una celosía, como el grafeno, o como un tubo, como un CNT, tales estructuras pueden tener una rigidez y resistencia excepcionales, así como propiedades eléctricas y químicas únicas. Como tal, Los investigadores han explorado el recubrimiento de varias superficies con CNT para producir más rígido materiales más duros.

Los investigadores suelen cultivar CNT en varios materiales a través de un proceso llamado deposición química de vapor. Un material de interés, como fibras de carbono, se recubre con un catalizador, generalmente un compuesto a base de hierro, y se coloca en un horno, a través del cual fluyen el dióxido de carbono y otros gases que contienen carbono. A temperaturas de hasta 800 grados Celsius, el hierro comienza a extraer átomos de carbono del gas, que se adhieren a los átomos de hierro y entre sí, eventualmente formando tubos verticales de átomos de carbono alrededor de fibras de carbono individuales. Luego, los investigadores utilizan varias técnicas para disolver el catalizador, dejando atrás nanotubos de carbono puro.

Li y sus colegas estaban experimentando formas de cultivar CNT en varias superficies recubriéndolos con diferentes soluciones de compuestos que contienen hierro. cuando el equipo notó que los nanotubos de carbono resultantes se veían diferentes de lo que esperaban.

"Los tubos se veían un poco raros, Rich y el equipo pelaron cuidadosamente la cebolla, como si fuera, y resulta una pequeña cantidad de sodio, que sospechábamos que estaba inactivo, en realidad estaba causando todo el crecimiento, "Dice Wardle.

Afinando las perillas del sodio

En la mayor parte, el hierro ha sido el catalizador tradicional para el cultivo de CNT. Wardle dice que esta es la primera vez que los investigadores han visto que el sodio tiene un efecto similar.

"El sodio y otros metales alcalinos no se han explorado para la catálisis de CNT, Wardle dice:"Este trabajo nos ha llevado a una parte diferente de la tabla periódica".

Para asegurarse de que su observación inicial no fue solo una casualidad, el equipo probó una variedad de compuestos que contienen sodio. Inicialmente experimentaron con sodio de calidad comercial, en forma de bicarbonato de sodio, sal de mesa, y pastillas de detergente, que obtuvieron en la tienda de conveniencia del campus. Finalmente, sin embargo, actualizaron a versiones purificadas de esos compuestos, que disolvieron en agua. Luego sumergieron una fibra de carbono en la solución de cada compuesto, recubriendo toda la superficie con sodio. Finalmente, colocaron el material en un horno y llevaron a cabo los pasos típicos involucrados en el proceso de deposición de vapor químico para cultivar CNT.

En general, ellos encontraron que, mientras que los catalizadores de hierro forman nanotubos de carbono a alrededor de 800 grados Celsius, los catalizadores de sodio pudieron formar cortos, densos bosques de CNT a temperaturas mucho más bajas, de alrededor de 480 C. Además, después de que las superficies pasaron de 15 a 30 minutos en el horno, el sodio simplemente se vaporizó, dejando atrás nanotubos de carbono huecos.

"Una gran parte de la investigación de CNT no se centra en cultivarlos, pero al limpiarlos, obtener los diferentes metales utilizados para hacerlos crecer fuera del producto, "Dice Wardle." Lo bueno con el sodio es, podemos calentarlo y deshacernos de él, y obtenga CNT puro como producto, lo que no se puede hacer con los catalizadores tradicionales ".

Li dice que el trabajo futuro puede centrarse en mejorar la calidad de los NTC que se cultivan con catalizadores de sodio. Los investigadores observaron que si bien el sodio podía generar bosques de nanotubos de carbono, las paredes de los tubos no estaban perfectamente alineadas en patrones perfectamente hexagonales, configuraciones cristalinas que dan a los CNT su resistencia característica. Li planea "ajustar varios botones" en el proceso de CVD, cambiando el tiempo, temperatura, y condiciones ambientales, para mejorar la calidad de los NTC cultivados con sodio.

"Hay tantas variables con las que aún puedes jugar, y el sodio todavía puede competir bastante bien con los catalizadores tradicionales, "Li dice." Anticipamos con sodio, es posible obtener tubos de alta calidad en el futuro. Y tenemos una confianza bastante alta en que incluso si usara bicarbonato de sodio Arm and Hammer normal, deberia de funcionar."

Para Shigeo Maruyama, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Tokio, la capacidad de cocinar CNT a partir de un ingrediente tan común como el sodio debería revelar nuevos conocimientos sobre la forma en que crecen los materiales excepcionalmente fuertes.

"¡Es una sorpresa que podamos cultivar nanotubos de carbono a partir de la sal de mesa!" dice Maruyama, que no participó en la investigación. "Aunque el crecimiento de los nanotubos de carbono por deposición química de vapor (CVD) se ha estudiado durante más de 20 años, nadie ha intentado utilizar un metal del grupo alcalino como catalizador. Este será un gran indicio para la comprensión completamente nueva del mecanismo de crecimiento de los nanotubos de carbono ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.