Watten blijken effectief te zijn bij het scheiden van enkelwandige koolstofnanobuisjes

Koolstofnanobuisjes (CNT) zijn een familie van 1D-nanostructuren met talrijke geverifieerde toepassingen, mogelijk gemaakt door hun uitstekende mechanische, optische en geleidende eigenschappen. De toepassing van CNT’s wordt echter belemmerd door de aanwezigheid van soorten met verschillende structuren in het ruwe productiemengsel, waardoor unieke eigenschappen van individuele soorten worden verdoezeld.

Er zijn verschillende methoden om CNT’s te scheiden, maar deze zijn moeilijk op te schalen, voornamelijk vanwege de hoge kosten van de betrokken reagentia. Met name de meeste van deze methoden zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor het sorteren van eiwitten en zijn pas recentelijk toegepast voor het scheiden van CNT’s.

In dit artikel stellen de auteurs een nieuwe, kosteneffectieve scheidingsmethode voor, geschikt voor de verwerking van CNT’s op industriële schaal. De scheidingsmethode is gebaseerd op het leiden van de CNT-oplossing van oppervlakte-actieve stof door een kolom gevuld met chemisch gemodificeerde watten.

Een van de bestaande scheidingsmethoden, selectieve gelpermeatie genoemd, is in wezen een basische kolomchromatografie. De oplossing van CNTs-oppervlakte-actieve stof wordt namelijk door een kolom geleid, gevuld met parels van agarose en / of dextran met de handelsnamen Sepharose en Sephacryl. Zowel agarose als dextran zijn polysacchariden gemaakt van glucose of glucose-achtige bouweenheden. Cellulose is een natuurlijk polysaccharide dat uit dezelfde structurele eenheden bestaat. Daarom besloot het team om dit materiaal te proberen als kolomvuller voor selectieve permeatie.

Katoen is natuurlijke cellulose en heeft een hoog oppervlak vanwege de vezelachtige structuur. Co-auteur Timur Khamidullin, een Ph.D. student in de groep van Ayrat Dimiev (Laboratorium voor geavanceerde koolstofnanomaterialen, Kazan Federal University) deed de eerste poging met natuurlijke watten gekocht bij een plaatselijke apotheek. Ondanks de lage sorteringsefficiëntie was er enige geregistreerde scheiding, dwz katoen werkte als kolomvulmiddel. Geïnspireerd door het resultaat besloot Ayrat Dimiev om de watten chemisch te modificeren om de chemische aard van het oppervlak te veranderen. De resultaten waren zelfs nog hoger dan de verwachtingen: dit gaf een veel betere scheidingsefficiëntie vanaf de eerste proef. Het kostte nog eens anderhalf jaar van de inspanningen van de collectieve groep om zowel de chemische modificatie van katoen als de verhouding van de oppervlakte-actieve stoffen in dispergeer- en elueringsoplossingen te verfijnen.

Het gebruik van gemodificeerde watten maakte het mogelijk om een ​​niveau van scheiding te bereiken dat nog nooit eerder werd gerapporteerd voor tuba-CNT’s. Bovendien is gemodificeerde watten ongeveer 200 keer goedkoper dan de hydrogels op agarose- en dextranbasis, die momenteel worden gebruikt in de selectieve gelpermeatie-scheidingsmethode. De schaalbaarheid van de methode wordt alleen beperkt door de diameter van de scheidingskolom.

De belangrijkste bijdrage aan het werk werd geleverd door groepsleider Ayrat Dimiev, Ph.D. student Timur Khamidullin, en postdocs Shamil Galyaltdinov en Artur Khannanov.

In het ruwe productiemengsel verdoezelen CNT’s met verschillende structuren en eigenschappen elkaars waarde. De industriële vraag naar gescheiden CNT’s zal de komende jaren verschijnen en groeien. CNT’s met geleidbaarheid van het metaaltype kunnen worden gebruikt in flexibele transparante geleidende films en kunnen mogelijk zelfs metalen in bedrading vervangen. Halfgeleidende CNT’s kunnen worden gebruikt als transistors en als platforms voor beeldvorming en gerichte medicijnafgifte vanwege hun verschillende en unieke emissie in het IR-gebied. Aldus zouden efficiënte methoden voor het scheiden van ruwe CNT-productiemengsels de toepassing van CNT’s op een nieuw wetenschappelijk en technologisch niveau verhogen. Bovendien zal de beschikbaarheid van kant-en-klare gescheiden nanobuisjes de zoektocht naar nieuwe richtingen voor hun toepassing stimuleren.

Het belangrijkste gebied van toekomstige werkzaamheden is om de efficiëntie van de scheiding verder te verhogen door de parameters van het scheidingsproces en de structuur van de gemodificeerde watten te verfijnen. De optimale structuur van de gemodificeerde watten en de voorwaarden voor de productie ervan zijn nog niet helemaal duidelijk; deze vraag moet volledig worden opgelost. Nadat dit is bereikt, moet het proces worden opgeschaald naar industriële hoeveelheden en moeten gescheiden nanobuisjes met verschillende soorten geleidbaarheid worden getest op praktische oplossingen.

Het papier is online beschikbaar gemaakt en zal in juni 2021 in druk verschijnen.