El solvente de Rice Lab permite nuevas aplicaciones para nanotubos de carbono

El solvente de Rice Lab permite nuevas aplicaciones para nanotubos de carbono



Los nanotubos de carbono que se enredan como espaguetis pueden alcanzar su máximo potencial con un poco de salsa especial.

Los científicos de la Universidad de Rice han creado la salsa adecuada, un solvente a base de ácido que simplifica el procesamiento de los nanotubos de carbono lo suficiente como para que sea más fácil de escalar para aplicaciones industriales.

El laboratorio de arroz de Matteo Pasquali se puso en contacto avances científicos en su descubrimiento de una combinación única de ácidos que ayuda a separar los nanotubos en una solución y transformarlos en películas, fibras u otros materiales con excelentes propiedades eléctricas y mecánicas.

El estudio, codirigido por el ex alumno Robert Headrick y el estudiante graduado 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 muchos usos.

«Cada vez se da más cuenta de que aumentar la minería de cobre, aluminio y níquel probablemente no sea una buena idea». dijo Pasquali, Profesor AJ Hartsook de Rice 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», él dijo. «Con esto en mente, necesitamos expandir el área en la que podemos usar materiales de carbono tanto como sea posible, particularmente donde se pueden reemplazar los metales con un producto que se puede producir de manera sostenible a partir de una materia prima como los hidrocarburos». Pasquali descubrió que estos procesos de fabricación también producen hidrógeno limpio.

“El carbono es abundante, controlamos las cadenas de suministro y sabemos cómo sacarlo de forma ambientalmente responsable”, él dijo.

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

Los ácidos oleico y clorosulfónico se han utilizado durante mucho tiempo para disolver nanotubos sin alterar 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 en Shell. «Esta carga hace que se repelan entre sí».

Una vez desenredados, los ácidos más suaves separan aún más los nanotubos. Descubrieron que MSA es más adecuado 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, ya que permite el procesamiento de Soluciones de nanotubos calentadas a temperatura moderada y luego solidificadas por enfriamiento.

Los investigadores utilizaron estas soluciones estables de cristal líquido 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. «Para ser honesto, fue un poco sorprendente lo bien que funcionó», dijo Headrick. «Salió bastante bien en el primer intento».

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

«Los ácidos que usamos son mucho más suaves que puedes usarlos con plásticos convencionales», dijo Headrick. “Esto abre la puerta a muchas técnicas de impresión y procesamiento de materiales que ya se están utilizando en las instalaciones de producción.

«También es muy importante integrar nanotubos de carbono en otros dispositivos y depositarlos como un paso en el proceso de fabricación de un dispositivo». él dijo.

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

Williams dijo que el próximo paso es ajustar el solvente para las aplicaciones y determinar cómo factores como la quiralidad y el tamaño afectan el procesamiento de los nanotubos. «Es muy importante que tengamos tubería de alta calidad, limpia y de gran diámetro». él dijo.

El trabajo es coautor de la alumna Lauren Taylor y los estudiantes graduados de Rice Oliver Dewey y Cedric Ginestra; 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 doctorado Asia Matatyaho Ya’akobi y Yeshayahu Talmon, profesora emérita de ingeniería química, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel; y Benji Maruyama, supervisor autónomo de materiales en la Dirección de Materiales y Fabricación del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-12-1-0035, FA9550-15-1-0370, FA9550-19-1-7045), la Fundación Robert A. Welch (C-1668), el Departamento de Energía (DE-EE0007865, DE-AR0001015), el Instituto de Investigación de Tecnología Espacial de la NASA (NNX17AJ32G), una Beca de Investigación de Tecnología Espacial de la NASA (NNX14AL71H), una Beca de Investigación para Graduados en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional, y la Beca Estados Unidos-Israel Fundación Binacional de Ciencias (2016161).

Fuente: http://www.rice.edu/

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