麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，小蘇打，食鹽和洗滌劑是烹飪碳納米管的有效成分。

在本周的雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究應(yīng)用化學(xué)，小組報(bào)告說，在普通家用成分發(fā)現(xiàn)含有鈉的化合物能催化生長碳 納米管或碳納米管，比傳統(tǒng)的催化劑需要溫度低得多。

研究人員表示，鈉可能使碳納米管在一系列低溫材料上生長，例如聚合物，這些材料通常在傳統(tǒng)CNT生長所需的高溫下熔化。

“在航空航天復(fù)合材料中，有許多聚合物將碳纖維固定在一起，現(xiàn)在我們可以在聚合物材料上直接生長碳納米管，以制造更堅(jiān)固，更堅(jiān)韌，更堅(jiān)硬的復(fù)合材料，”該研究的主要作者，理查德·李說。麻省理工學(xué)院航空航天系的研究生。“使用鈉作為催化劑確實(shí)解鎖了可以生長納米管的各種表面。”

李的麻省理工學(xué)院合著者是博士后Erica Antunes，Estelle Kalfon-Cohen，Luiz Acauan和Kehang Cui; 校友Akira Kudo博士 '16，Andrew Liotta '16，和Ananth Govind Rajan SM '16，博士。'19; 化學(xué)工程教授Michael Strano，航空與航天教授Brian Wardle，以及國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和哈佛大學(xué)的合作者。

剝洋蔥

在顯微鏡下，碳納米管類似于雞絲的空心圓柱體。每個(gè)管由六角形排列的碳原子的卷起格子制成。碳原子之間的鍵非常強(qiáng)，并且當(dāng)圖案化成晶格(例如石墨烯)或作為管(例如CNT)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可具有優(yōu)異的剛度和強(qiáng)度，以及獨(dú)特的電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)。因此，研究人員已經(jīng)探索了用CNT涂覆各種表面，以生產(chǎn)更堅(jiān)固，更堅(jiān)硬，更堅(jiān)韌的材料。

研究人員通常通過稱為化學(xué)氣相沉積的過程在各種材料上生長CNT。將感興趣的材料(例如碳纖維)涂覆在催化劑(通常是鐵基化合物)中并放入爐中，二氧化碳和其它含碳?xì)怏w通過該爐流動。在高達(dá)800攝氏度的溫度下，鐵開始從氣體中吸收碳原子，氣體在鐵原子上相互輝映，最終在各個(gè)碳纖維周圍形成垂直的碳原子管。然后研究人員使用各種技術(shù)溶解催化劑，留下純碳納米管。

Li和他的同事正在試驗(yàn)通過用不同的含鐵化合物溶液涂覆CNT在各種表面上生長的方法，當(dāng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)碳納米管看起來與他們的預(yù)期不同時(shí)。

“管子看起來有點(diǎn)滑稽，Rich和團(tuán)隊(duì)小心翼翼地將洋蔥剝了回去，結(jié)果發(fā)現(xiàn)少量的鈉，我們懷疑它是不活躍的，實(shí)際上是導(dǎo)致所有的增長，”Wardle說。

調(diào)整鈉??的旋鈕

在大多數(shù)情況下，鐵一直是生長碳納米管的傳統(tǒng)催化劑。沃德爾說，這是研究人員第一次看到鈉有類似的效果。

“還沒有研究過鈉和其他堿金屬的CNT催化作用，”沃德爾說。“這項(xiàng)工作使我們進(jìn)入了元素周期表的不同部分。”

為了確保他們的初步觀察不僅僅是僥幸，該團(tuán)隊(duì)測試了一系列含鈉化合物。他們最初嘗試使用商業(yè)級鈉，以小蘇打，食鹽和洗滌劑顆粒的形式，從校園便利店獲得。然而，最終，他們升級為這些化合物的純化形式，它們?nèi)芙庠谒?。然后，他們將碳纖維浸入每種化合物的溶液中，用鈉涂覆整個(gè)表面。最后，他們將材料放入爐中并進(jìn)行化學(xué)氣相沉積過程中涉及的典型步驟以生長CNT。

一般來說，他們發(fā)現(xiàn)，雖然鐵催化劑在大約800攝氏度下形成碳納米管，但鈉催化劑能夠在更低的溫度下形成短而密集的碳納米管森林，大約480攝氏度。此外，在表面花費(fèi)大約15攝氏度之后在爐中30分鐘后，鈉被簡單地蒸發(fā)掉，留下空心碳納米管。

“CNT研究的很大一部分不是培育它們，而是通過清潔它們 - 抓住用于將它們從產(chǎn)品中生長出來的不同金屬，”Wardle說。“鈉的整潔之處在于，我們可以加熱它并去除它，并獲得純CNT作為產(chǎn)品，這是傳統(tǒng)催化劑無法做到的。”

李說，未來的工作可能集中在提高使用鈉催化劑生長的碳納米管的質(zhì)量。研究人員觀察到，雖然鈉能夠產(chǎn)生碳納米管的森林，但是管壁并沒有完美地對齊成完美的六邊形圖案 - 晶體狀結(jié)構(gòu)，使CNT具有其特有的強(qiáng)度。Li計(jì)劃在CVD工藝中“調(diào)整各種旋鈕”，改變時(shí)間，溫度和環(huán)境條件，以提高鈉生長CNT的質(zhì)量。

“你仍然可以使用很多變量，鈉與傳統(tǒng)催化劑仍能很好地競爭，”李說。“我們預(yù)計(jì)使用鈉，未來可以獲得高質(zhì)量的管材。我們非常有信心，即使您使用常規(guī)的Arm and Hammer小蘇打，也應(yīng)該有效。”

對于東京大學(xué)機(jī)械工程系教授Shigeo Maruyama來說，用鈉等常見成分烹飪碳納米管的能力應(yīng)該能夠揭示出異常強(qiáng)大材料生長方式的新見解。

“我們可以從食鹽中種植碳納米管，這是一個(gè)驚喜!” Maruyama說，他沒有參與這項(xiàng)研究。“盡管碳納米管的化學(xué)氣相沉積(CVD)生長已經(jīng)研究了20多年，但沒有人嘗試過使用堿金屬作為催化劑。這將對全面了解碳納米管的生長機(jī)制提供一個(gè)很好的線索。 “。