Synthese van diamantachtige koolstof nanovezel film

Een internationaal team van onderzoekers, geleid door Distinguished Professor Rodney S. Ruoff (Department of Chemistry) van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), binnen het Institute for Basic Science (IBS) bij UNIST, heeft een film samengesteld uit dicht opeengepakte diamantachtige koolstof nanovezels. Zoals beschreven in een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano, merkten de onderzoekers op dat het nieuwe koolstofmateriaal een hoge concentratie aan tetravalent gebonden koolstofatomen heeft (de diamantachtige nanovezels hebben veel C-atomen met vier andere atomen eraan gebonden; dit wordt ook wel “sp3-gebonden koolstof” genoemd).

“De diamantachtige koolstof nanovezelfilms werden gesynthetiseerd door koperen nanodeeltjes met een diameter van enkele nanometers op een substraat te verhitten in acetyleen en waterstofgassen”, zegt Kee Han Lee. “De gesynthetiseerde vezels waren zeer dicht en vormden een film. Deze dicht opeengepakte nanovezels konden ook worden gescheiden in een poedervorm die mogelijk hun toepassingen zou kunnen verbreden.”

In deze studie was het team in staat om parameters te identificeren die de pakkingsdichtheid van de nanovezels beïnvloeden, namelijk de waterstofgasconcentratie en de koper nanodeeltjeskatalysatorafmeting. De pakkingsdichtheid kon aanzienlijk worden verhoogd door deze parameters aan te passen, wat leidde tot de vorming van een kromgetrokken film.

Verschillende technieken zoals röntgenfoto-elektronspectroscopie, nucleaire magnetische resonantie in vaste toestand, elementanalyse en Raman-spectroscopie, elementsamenstelling en chemische bindingsstructuur in deze diamantachtige nanovezels, en er werd gevonden dat sp3-gebonden koolstofatomen (sp3: sp2 koolstofatoomverhouding van ongeveer 2) overheersen (sp2-gebonden C-atomen zijn gehecht aan drie andere atomen in plaats van vier – zoals in grafeen en grafiet – terwijl in diamant alle C-atomen “sp3-gebonden” zijn). Het waterstofgehalte in de nanovezels van ongeveer 25-50 atoom% werd bepaald met behulp van Raman-spectroscopie en elementanalyse.

“Met zijn hoge sp3-koolstofgehalte is dit materiaal anders dan andere op damp gegroeide koolstofnanovezels, waaronder nanobuisjes, die meestal zijn samengesteld uit gestapelde grafeenlagen, en koolstofnanobuizen met een sp3: sp2-koolstofverhouding van ongeveer 0,25”, legt Sun Hwa uit Lee.

De elektrische weerstand (1,2 ± 0,1 × 10⁶ Ω cm – het is elektrisch isolerend), dichtheid (2,5 ± 0,2 g cm^-3; de dichtheid van diamant is 3,5 g cm^-3), oppervlakte (28 ± 0,7 m2 g^-1), chemische inertie en bevochtigbaarheid ten opzichte van verschillende vloeistoffen, werden bepaald. Deze eigenschappen waren vergelijkbaar of ‘beter’ dan de meeste gerapporteerde diamantachtige koolstoffilms, maar de mechanische eigenschappen van deze diamantachtige koolstof nanovezelfilm bleken totaal anders te zijn dan die van conventionele, continue, diamantachtige koolstoffilms, omdat deze is samengesteld van nanovezels.

“We ontdekten een nieuwe vorm van koolstof, en je zou verwachten dat ons werk anderen inspireert om nu ook verder te studeren op dit onderzoekspad”, zei de Distinguished Professor Ruoff. “We doen onder meer de basiswetenschap van nieuwe koolstofmaterialen en we zijn geïnteresseerd in het uiteindelijk verkrijgen van pure diamantvezels, samen met verdere studies van dit type diamantachtige koolstofnanovezel.”