Onderzoekers synthetiseren koolstofnanobuisjes met nauwkeurige chiraliteit

Onderzoekers hebben een belangrijke doorbraak bereikt in de synthese van koolstofnanobuisjes (CNT’s) door een nieuwe katalysator te ontwikkelen die nauwkeurige controle over hun atomaire rangschikking mogelijk maakt, ook wel chiraliteit genoemd. Deze vooruitgang maakt de weg vrij voor de creatie van innovatieve halfgeleiderapparaten, waarmee een uitdaging wordt aangepakt die al meer dan 30 jaar onopgelost is gebleven.

Het team bestaande uit onderzoekers uit heel Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Toshiaki Kato van het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), heeft met succes CNT’s gesynthetiseerd met een chirale index van (6,5) met een ultrahoge zuiverheid van meer dan 95 %.

Deze bevindingen werden gepubliceerd in ACS Nano op 20 augustus 2024.

“Een koolstofnanobuisje is eigenlijk een vel koolstof dat in een holle buis is gerold”, legt Kato uit. “Hoewel het eenvoudig klinkt, zijn CNT’s zeer gewild vanwege hun eigenschappen zoals hun uitzonderlijke geleidbaarheid, optische kenmerken en mechanische sterkte.”

Het is geen wonder dat ze de bijnaam ‘koning van de nanomaterialen’ krijgen. Deze waslijst met wenselijke eigenschappen maakt ze tot een veelbelovende optie voor een werkelijk breed aantal toepassingen – van het bouwen van vliegtuigen en ruimteschepen tot het ontwikkelen van biomedische apparaten.

“Het onvermogen om de chiraliteit van CNT te beheersen is een grote barrière geweest voor hun industriële toepassing, dus werd dit project ondernomen om een ​​katalysator te vinden die consistent het gewenste doel kon produceren”, zegt Kato. Tot nu toe is synthese van enkelvoudige chiraliteit met een zuiverheid van meer dan 90% alleen bereikt voor (14,4) en (12,6) chiraliteiten.

Door een nieuwe katalysator te introduceren die bestaat uit nikkel (Ni), tin (Sn) en ijzer (Fe), hebben de onderzoekers een nieuwe weg geopend voor chiraliteitsgecontroleerde synthese. Deze NiSnFe-katalysator fungeert als een zeer gespecialiseerde groeikatalysator en maakt de selectieve synthese van (6,5) chiraliteit-CNT’s mogelijk.

Bovendien vertonen deze chiraliteitszuivere bundelstructuren van (6,5) CNT’s een meer dan twintigvoudige toename in hun fotoluminescentielevensduur, vergeleken met geïsoleerde (6,5) CNT’s. Deze techniek zou in de toekomst mogelijk kunnen worden gebruikt om ook andere chiraliteiten te bereiken.

Het onderzoeksteam verwacht dat hun bevindingen zullen leiden tot aanzienlijke verbeteringen in de manier waarop halfgeleiderapparaten worden vervaardigd en gebruikt.