Nieuw oplosmiddel vereenvoudigt industrieel 3D, roll-to-roll printen van koolstof nanobuisjes

Koolstofnanobuisjes die snel in de knoop raken, zoals spaghetti, kunnen een beetje speciale saus gebruiken om hun volledige potentieel te realiseren.

Wetenschappers van Rice University hebben alleen de saus bedacht, een op zuur gebaseerd oplosmiddel dat de verwerking van koolstofnanobuisjes vereenvoudigt op een manier die gemakkelijker op te schalen is voor industriële toepassingen.

Het Rice-lab van Matteo Pasquali meldde in wetenschappelijke vooruitgang op de ontdekking van een unieke combinatie van zuren die helpt nanobuisjes in een oplossing te scheiden en ze om te zetten in films, vezels of andere materialen met uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen.

De studie, mede geleid door afgestudeerde alumnus Robert Headrick en afgestudeerde student Steven Williams, meldt dat het oplosmiddel compatibel is met conventionele productieprocessen. Dat zou het moeten helpen een plaats te vinden in de productie van geavanceerde materialen voor veel toepassingen.

“Er is een groeiend besef dat het waarschijnlijk geen goed idee is om de winning van koper en aluminium en nikkel te vergroten”, zegt Pasquali, Rice’s AJ Hartsook Professor en een professor in chemische en biomoleculaire engineering, chemie en materiaalkunde en nano-engineering. Hij is ook directeur van de op Rice gebaseerde Carbon Hub, die de ontwikkeling van geavanceerde koolstofmaterialen bevordert die het milieu ten goede komen.

“Maar er is een enorme kans om koolwaterstoffen als ons erts te gebruiken,” zei hij. “In dat licht moeten we het bereik waarin we koolstofmaterialen kunnen gebruiken, vooral waar het metalen kan verdringen, zoveel mogelijk verbreden met een product dat duurzaam kan worden vervaardigd uit een grondstof zoals koolwaterstoffen.” Pasquali merkte op dat deze productieprocessen ook schone waterstof produceren.

“Koolstof is er in overvloed, we beheersen de toeleveringsketens en we weten hoe we het op een milieuvriendelijke manier kunnen afvoeren”, zei hij.

Een betere manier om koolstof te verwerken zal helpen. Het oplosmiddel is gebaseerd op methaansulfonzuur (MSA), p-tolueensulfonzuur (pToS) en oleumzuren die, indien gecombineerd, minder corrosief zijn dan die welke momenteel worden gebruikt om nanobuisjes in een oplossing te verwerken. Het scheiden van nanobuisjes (die onderzoekers oplossen noemen) is een noodzakelijke stap voordat ze door een naald of ander apparaat kunnen worden geëxtrudeerd waar afschuifkrachten hen in bekende vezels of vellen helpen veranderen.

Oleum en chloorsulfonzuren worden al lang gebruikt om nanobuisjes op te lossen zonder hun structuren te wijzigen, maar beide zijn zeer corrosief. Door oleum te combineren met twee zwakkere zuren, ontwikkelde het team een ​​breed toepasbaar proces dat nieuwe productie van nanobuisjes mogelijk maakt.

“Het oleum omringt elke afzonderlijke nanobuis en geeft het een zeer gelokaliseerde positieve lading”, zegt Headrick, nu onderzoekwetenschapper bij Shell. “Die lading zorgt ervoor dat ze elkaar afstoten.”

Na het ontwarren scheiden de mildere zuren de nanobuisjes verder van elkaar. Ze ontdekten dat MSA het beste is voor het spinnen van vezels en de productie van roll-to-roll film, terwijl pToS, een vaste stof die smelt bij 40 graden Celsius (104 graden Fahrenheit), vooral nuttig is voor 3D-printtoepassingen omdat het nanobuisoplossingen mogelijk maakt om bij een matige temperatuur en vervolgens gestold door koeling.

De onderzoekers gebruikten deze stabiele vloeibaar-kristallijne oplossingen om dingen op zowel moderne als traditionele manieren te maken, 3D-printen van koolstof nanobuis-aerogels en zeefdrukpatronen op verschillende oppervlakken, waaronder glas.

De oplossingen maakten ook de roll-to-roll-productie mogelijk van transparante films die als elektroden kunnen worden gebruikt. “Eerlijk gezegd was het een beetje verrassend hoe goed dat werkte,” zei Headrick. “Bij de eerste poging ging het redelijk foutloos.”

De onderzoekers merkten op dat oleum nog steeds zorgvuldig moet worden gehanteerd, maar eenmaal verdund met de andere zuren, is de oplossing veel minder agressief voor andere materialen.

“De zuren die we gebruiken zijn zo veel zachter dat je ze kunt gebruiken met gewone kunststoffen,” zei Headrick. “Dat opent de deur naar veel materiaalverwerkings- en druktechnieken die al aanwezig zijn in productiefaciliteiten.

“Het is ook erg belangrijk voor het integreren van koolstofnanobuisjes in andere apparaten, en ze als één stap in een apparaatfabricageproces te deponeren”, zei hij.

Ze meldden dat de minder corrosieve oplossingen geen schadelijke dampen afgaven en gemakkelijker schoon te maken waren na productie. MSA en pToS kunnen ook worden gerecycled na verwerking van nanobuisjes, wat hun milieu-impact en energie- en verwerkingskosten verlaagt.

Williams zei dat de volgende stap is om het oplosmiddel voor toepassingen te verfijnen en om te bepalen hoe factoren zoals chiraliteit en grootte de verwerking van nanobuisjes beïnvloeden. “Het is echt belangrijk dat we hoogwaardige, schone buizen met een grote diameter hebben”, zei hij.

Co-auteurs van het artikel zijn alumna Lauren Taylor en afgestudeerde studenten Oliver Dewey en Cedric Ginestra van Rice; afgestudeerde student Crystal Owens en professoren Gareth McKinley en A. John Hart aan het Massachusetts Institute of Technology; alumna Lucy Liberman, afgestudeerde student Asia Matatyaho Ya’akobi en Yeshayahu Talmon, emeritus hoogleraar chemische technologie, aan het Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israël; en Benji Maruyama, autonoom materiaalhoofd in het Directoraat Materialen en Productie, Air Force Research Laboratory.