Vellen koolstofnanobuisjes zijn er in een regenboog van kleuren

Nanomaterialenonderzoekers in Finland, de Verenigde Staten en China hebben een kleurenatlas gemaakt voor 466 unieke varianten van enkelwandige koolstofnanobuisjes.

De nanobuisjes-kleurenatlas wordt gedetailleerd in een studie in Geavanceerde materialen over een nieuwe methode om de specifieke kleuren van dunne films te voorspellen die gemaakt zijn door een van de 466 varianten te combineren. Het onderzoek werd uitgevoerd door onderzoekers van Aalto University in Finland, Rice University en Peking University in China.

“Koolstof, dat we als zwart zien, kan transparant lijken of elke kleur van de regenboog aannemen”, zegt Aalto-natuurkundige Esko I. Kauppinen, de corresponderende auteur van de studie. “De plaat ziet er zwart uit als licht volledig wordt geabsorbeerd door koolstofnanobuisjes in de plaat. Als minder dan ongeveer de helft van het licht wordt geabsorbeerd in de nanobuisjes, ziet de plaat er transparant uit. Als de atomaire structuur van de nanobuisjes alleen bepaalde kleuren licht veroorzaakt, of golflengten, om te worden geabsorbeerd, de golflengten die niet worden geabsorbeerd worden gereflecteerd als zichtbare kleuren. “

Koolstofnanobuisjes zijn lange, holle koolstofmoleculen, vergelijkbaar in vorm als een tuinslang, maar met zijkanten van slechts één atoom dik en diameters die ongeveer 50.000 keer kleiner zijn dan een mensenhaar. De buitenwanden van nanobuisjes zijn gemaakt van gerold grafeen. En de wikkelhoek van het grafeen kan variëren, net als de hoek van een rol kerstcadeaupapier. Als de cadeaupapier voorzichtig wordt opgerold, in een hoek van nul, zullen de uiteinden van het papier uitgelijnd zijn met elke kant van de cadeaupapierkoker. Als het papier onzorgvuldig onder een hoek wordt opgewonden, zal het aan een uiteinde van de buis overhangen.

De atomaire structuur en het elektronische gedrag van elke koolstofnanobuis wordt bepaald door de wikkelhoek, of chiraliteit, en de diameter. De twee eigenschappen worden weergegeven in een “(n, m)” nummeringssysteem dat 466 soorten nanobuisjes catalogiseert, elk met een karakteristieke combinatie van chiraliteit en diameter. Elk (n, m) type nanobuisjes heeft een karakteristieke kleur.

De onderzoeksgroep van Kauppinen heeft jarenlang koolstofnanobuisjes en dunne films van nanobuisjes bestudeerd, en eerder slaagde het erin de fabricage van gekleurde nanobuisjes dunne films onder de knie te krijgen die groen, bruin en zilvergrijs leken.

In de nieuwe studie onderzocht het team van Kauppinen de relatie tussen het spectrum van geabsorbeerd licht en de visuele kleur van verschillende diktes van droge nanobuisfolies en ontwikkelde een kwantitatief model dat ondubbelzinnig het kleurmechanisme voor nanobuisfolies kan identificeren en de specifieke kleuren van films kan voorspellen. combineer buizen met verschillende inherente kleuren en (n, m) aanduidingen.

Rijstingenieur en natuurkundige Junichiro Kono, wiens laboratorium in 2012 het mysterie van kleurrijke fauteuil-nanobuisjes oploste, leverde films die uitsluitend waren gemaakt van (6,5) nanobuisjes die werden gebruikt om het Aalto-model te kalibreren en te verifiëren. Onderzoekers van Aalto en Peking University gebruikten het model om de absorptie van de rijstfilm en zijn visuele kleur te berekenen. Experimenten toonden aan dat de gemeten kleur van de film vrij nauw overeenkwam met de kleurvoorspelling van het model.

Het Aalto-model laat zien dat de dikte van een nanobuisjesfilm, evenals de kleur van de nanobuisjes die het bevat, de absorptie van licht door de film beïnvloeden. Aalto’s atlas van 466 kleuren nanobuisfolies is afkomstig van het combineren van verschillende buizen. Het onderzoek toonde aan dat de dunste en meest kleurrijke buizen zichtbaar licht meer beïnvloeden dan buizen met grotere diameters en vervaagde kleuren.

“De groep van Esko heeft uitstekend werk geleverd door de kleuren theoretisch kwantitatief uit te leggen, wat dit werk echt onderscheidt van eerdere onderzoeken naar fluorescentie en kleuring van nanobuisjes,” zei Kono.

Sinds 2013 is het laboratorium van Kono een pionier op het gebied van een methode voor het maken van hooggeordende 2D-films op nanobuisjes. Kono zei dat hij had gehoopt het team van Kauppinen te voorzien van zeer geordende 2D-kristallijne films van nanobuisjes met een enkele chiraliteit.

“Dat was het oorspronkelijke idee, maar helaas hadden we op dat moment geen geschikte single-chirality-films,” zei Kono. “In de toekomst is onze samenwerking van plan om dit werk uit te breiden om polarisatie-afhankelijke kleuren in sterk geordende 2D-kristallijne films te bestuderen.”

De experimentele methode die de Aalto-onderzoekers gebruikten om nanobuisjes voor hun films te laten groeien, was dezelfde als in hun eerdere studies: nanobuisjes groeien uit koolmonoxidegas en ijzerkatalysatoren in een reactor die wordt verwarmd tot meer dan 850 graden Celsius. De groei van nanobuisjes met verschillende kleuren en (n, m) aanduidingen wordt gereguleerd met behulp van kooldioxide dat aan de reactor wordt toegevoegd.

“Sinds de vorige studie hebben we ons afgevraagd hoe we de opkomst van de kleuren van de nanobuisjes zouden kunnen verklaren”, zegt professor Nan Wei van de Universiteit van Peking, die eerder als postdoctoraal onderzoeker bij Aalto werkte. “Van de allotropen koolstof zijn grafiet en houtskool zwart, en pure diamanten zijn kleurloos voor het menselijk oog. Nu hebben we echter gemerkt dat enkelwandige koolstofnanobuisjes elke kleur kunnen aannemen: bijvoorbeeld rood, blauw, groen of bruin. . “

Kauppinen zei dat gekleurde dunne films van nanobuisjes buigzaam en ductiel zijn en nuttig kunnen zijn in gekleurde elektronische structuren en in zonnecellen.

“De kleur van een scherm kan bijvoorbeeld worden aangepast met behulp van een tastsensor in mobiele telefoons, andere touchscreens of op vensterglas”, zei hij.

Kauppinen zei dat het onderzoek ook een basis kan bieden voor nieuwe soorten milieuvriendelijke kleurstoffen.