Los cristales ultrafinos de nanotubos de carbono podrían tener usos maravillosos, como convertir el calor residual en electricidad con una eficiencia casi perfecta, y los ingenieros de la Universidad de Rice han dado un gran paso hacia ese objetivo.

El último paso continúa una historia que comenzó en 2013, cuando Junichiro Kono de Rice y sus estudiantes descubrieron un método innovador para hacer que los nanotubos de carbono se alineen en películas delgadas en una membrana de filtro.

Los nanotubos son largos, hueca y notoriamente propensa a enredarse. Imagina una manguera de jardín que tiene decenas de millas de largo luego encoja el diámetro de la manguera al ancho de unos pocos átomos. Cualquiera que haya peleado alguna vez con una manguera anudada puede apreciar la hazaña de Kono:él y sus estudiantes habían convertido una turba de nanotubos rebeldes en un colectivo bien ordenado. Por su propia voluntad, y por miles de millones, los nanotubos estaban dispuestos a tumbarse uno al lado del otro, como espaguetis secos en una caja.

¿El problema? Kono y sus estudiantes no tenían idea de por qué estaba sucediendo.

"Fue mágico. Quiero decir, realmente misterioso, "dijo Kono, un ingeniero eléctrico, físico aplicado y científico de materiales que ha estudiado los nanotubos de carbono durante más de dos décadas. "No teníamos idea de lo que realmente estaba sucediendo a escala microscópica. Y lo más importante, ni siquiera sabíamos en qué dirección se alinearían los nanotubos ".

Él y su equipo publicaron sus hallazgos en 2016, y el campo intervino con posibles explicaciones. La respuesta, como se describe en un nuevo artículo del equipo y colaboradores de Kono en Japón, es inesperado y simple:diminutas ranuras paralelas en el papel de filtro, un artefacto del proceso de producción del papel, provocan la alineación de los nanotubos. La investigación está disponible en línea en la revista American Chemical Society. Nano letras .

Kono dijo un estudiante de posgrado en su laboratorio, la autora principal del estudio, Natsumi Komatsu, fue el primero en notar las ranuras y asociarlas con la alineación de nanotubos.

"Descubrí que cualquier papel de membrana de filtro comprado comercialmente utilizado para esta técnica tiene estas ranuras, "Dijo Komatsu." La densidad de las ranuras varía de un lote a otro. Pero siempre hay surcos ".

Para formar las películas cristalinas 2-D, Los investigadores suspenden primero una mezcla de nanotubos en una solución de agua y surfactante. El surfactante jabonoso recubre los nanotubos y actúa como desenredante. En 2013, Los estudiantes de Kono estaban usando filtración al vacío para extraer estas mezclas a través de papel de filtro de membrana. El líquido pasó a través de la membrana de papel, dejando una película de nanotubos alineados en la parte superior.

En un exhaustivo conjunto de experimentos, Komatsu y colegas, incluyendo al investigador postdoctoral del grupo Kono Saunab Ghosh, mostró que la alineación de los nanotubos en estas películas correspondía a paralelos, surcos submicroscópicos en el papel. Es probable que las ranuras se formen cuando el papel de filtro se coloca en rollos en la fábrica, Dijo Kono.

Komatsu examinó docenas de muestras de papel de filtro y utilizó microscopios electrónicos de barrido y microscopios de fuerza atómica para caracterizar ranuras y patrones de ranuras. Cortó filtros en pedazos reensambló las piezas con ranuras en diferentes direcciones y mostró que producían películas con alineaciones coincidentes.

Komatsu y sus colegas también utilizaron calor y presión para eliminar las ranuras del papel de filtro, utilizando los mismos principios implicados en el planchado de las arrugas de la ropa. Demostraron que las películas hechas con papel sin ranuras tenían nanotubos alineados en varias direcciones.

Finalmente, comenzando con papel sin ranuras, demostraron que podían usar una rejilla reflectante muy fina con ranuras periódicas para crear sus propios patrones de ranuras y que las películas de nanotubos correspondientes seguían esos patrones.

Kono dijo que el método es emocionante porque aporta el nivel necesario de previsibilidad a la producción de películas de nanotubos cristalinos en 2-D.

"Si los nanotubos están orientados al azar, pierde todas las propiedades unidimensionales, "Dijo Kono." Ser unidimensional es clave. Conduce a todas las propiedades inusuales pero importantes ".

Si bien las películas del grupo Kono son esencialmente 2-D (hasta una pulgada de diámetro pero solo unas mil millonésimas de metro de espesor), los nanotubos individuales se comportan como materiales 1D, especialmente en términos de sus propiedades ópticas y electrónicas.

Las extraordinarias propiedades ópticas y electrónicas de los nanotubos de carbono dependen de su diámetro y estructura, o quiralidad. Algunas quiralidades actúan como metales y otras como semiconductores, y los investigadores han luchado durante décadas para encontrar una manera de hacer grandes, objetos macroscópicos como un alambre o una de las películas de 1 pulgada de diámetro de Kono puramente de nanotubos con un diámetro y quiralidad.

"Ese es obviamente el siguiente paso, ", Dijo Ghosh." En este estudio, todavía utilizamos una mezcla de nanotubos de carbono metálicos y semiconductores con una distribución de diámetro. El siguiente paso es aplicar este nuevo método basado en la creación de ranuras intencional utilizando una rejilla para lograr un control total de la dirección de alineación ".

Kono dijo que su equipo ha creado cristales 2-D altamente alineados a partir de soluciones con una mezcla diversa de nanotubos.

"Pero cuando optamos por una solución de quiralidad única, nunca estuvimos satisfechos con la alineación, ", dijo." Ahora, con este conocimiento de surcos, estamos seguros de que podemos mejorar el grado de alineación en el caso de películas de nanotubos de carbono de quiralidad simple ".

Las películas de quiralidad única podrían abrir la puerta a aplicaciones con un potencial alucinante, por ejemplo, láminas de carbono puro que convierten el calor en luz con una eficiencia casi perfecta. Unir una hoja de este tipo con un material fotovoltaico podría proporcionar una forma de convertir el calor en energía eléctrica de manera muy eficiente. creando la posibilidad de radiadores que enfrían los motores y la electrónica al mismo tiempo que los alimentan.

El laboratorio de Kono y el grupo de investigación de Rice, Gururaj Naik, demostraron el concepto para esto en un artículo de 2019 sobre películas de nanotubos de carbono hiperbólicos.

Las películas cristalinas de quiralidad simple también podrían usarse para estudiar nuevos estados de la materia, tales como polaritones de excitón y condensados ​​de Bose-Einstein, y para aplicaciones que aún no se han previsto, Dijo Kono.

"En este momento, solo un pequeño número de grupos en el mundo pueden alinearlos, muy denso, películas de nanotubos de carbono muy compactadas, ", dijo." Y el trabajo que acabamos de terminar, el trabajo asistido por surcos, ofrece más control. Esto conducirá a mejores películas, nuevas aplicaciones y nueva ciencia. Estamos muy emocionados."