Neues Lösungsmittel vereinfacht den industriellen 3D-Rolle-zu-Rolle-Druck von Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren, die sich wie Spaghetti verwickeln, können mit einer kleinen Spezialsoße ihr volles Potenzial ausschöpfen.

Wissenschaftler der Rice University haben genau die richtige Sauce entwickelt, ein säurebasiertes Lösungsmittel, das die Verarbeitung von Kohlenstoff-Nanoröhren so vereinfacht, dass es leichter für industrielle Anwendungen skaliert werden kann.

Das Reislabor von Matteo Pasquali meldete sich Wissenschaftliche Fortschritte auf seine Entdeckung einer einzigartigen Kombination von Säuren, die hilft, Nanoröhren in einer Lösung zu trennen und sie in Filme, Fasern oder andere Materialien mit hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften umzuwandeln.

Die von Alumnus Robert Headrick und Doktorand Steven Williams gemeinsam geleitete Studie berichtet, dass das Lösungsmittel mit herkömmlichen Herstellungsverfahren kompatibel ist. Das sollte ihm helfen, einen Platz in der Produktion fortschrittlicher Materialien für viele Anwendungen zu finden.

„Es wächst die Erkenntnis, dass es wahrscheinlich keine gute Idee ist, den Abbau von Kupfer, Aluminium und Nickel zu steigern“, sagte Pasquali, AJ Hartsook-Professor von Rice und Professor für chemische und biomolekulare Technik, Chemie und Materialwissenschaften und Nanotechnik. Er ist auch Direktor des Rice-based Carbon Hub, das die Entwicklung fortschrittlicher Kohlenstoffmaterialien zum Nutzen der Umwelt fördert.

„Aber es gibt diese riesige Gelegenheit, Kohlenwasserstoffe als unser Erz zu verwenden“, sagte er. „Vor diesem Hintergrund müssen wir den Bereich, in dem wir Kohlenstoffmaterialien verwenden können, so weit wie möglich erweitern, insbesondere dort, wo es Metalle durch ein Produkt ersetzen kann, das nachhaltig aus einem Ausgangsmaterial wie Kohlenwasserstoffen hergestellt werden kann.“ Pasquali stellte fest, dass diese Herstellungsprozesse auch sauberen Wasserstoff produzieren.

„Kohlenstoff ist reichlich vorhanden, wir kontrollieren die Lieferketten und wir wissen, wie wir ihn auf umweltverträgliche Weise herausbekommen“, sagte er.

Ein besserer Weg, Kohlenstoff zu verarbeiten, wird helfen. Das Lösungsmittel basiert auf Methansulfonsäure (MSA), p-Toluolsulfonsäure (pToS) und Oleumsäuren, die in Kombination weniger korrosiv sind als die derzeit zur Verarbeitung von Nanoröhren in einer Lösung verwendeten. Das Trennen von Nanoröhren (was Forscher als Auflösen bezeichnen) ist ein notwendiger Schritt, bevor sie durch eine Nadel oder ein anderes Gerät extrudiert werden können, wo Scherkräfte helfen, sie in bekannte Fasern oder Blätter zu verwandeln.

Oleum- und Chlorsulfonsäuren werden seit langem verwendet, um Nanoröhren aufzulösen, ohne ihre Strukturen zu verändern, aber beide sind stark korrosiv. Durch die Kombination von Oleum mit zwei schwächeren Säuren entwickelte das Team ein breit anwendbares Verfahren, das eine neue Herstellung von Nanoröhrenprodukten ermöglicht.

„Das Oleum umgibt jede einzelne Nanoröhre und verleiht ihr eine sehr lokalisierte positive Ladung“, sagte Headrick, jetzt Forschungswissenschaftler bei Shell. „Diese Ladung lässt sie einander abstoßen.“

Nach dem Entwirren trennen die milderen Säuren die Nanoröhren weiter. Sie fanden heraus, dass MSA am besten für das Faserspinnen und die Produktion von Rolle-zu-Rolle-Folien geeignet ist, während pToS, ein Feststoff, der bei 40 Grad Celsius (104 Grad Fahrenheit) schmilzt, besonders nützlich für 3D-Druckanwendungen ist, da es die Verarbeitung von Nanoröhrenlösungen ermöglicht mäßiger Temperatur erhitzt und dann durch Abkühlen verfestigt.

Die Forscher verwendeten diese stabilen flüssigkristallinen Lösungen, um Dinge sowohl auf moderne als auch auf traditionelle Weise herzustellen, indem sie Kohlenstoff-Nanoröhren-Aerogele und Siebdruckmuster in 3D auf eine Vielzahl von Oberflächen, einschließlich Glas, druckten.

Die Lösungen ermöglichten auch die Rolle-zu-Rolle-Produktion von transparenten Folien, die als Elektroden verwendet werden können. „Ehrlich gesagt war es ein wenig überraschend, wie gut das funktioniert hat“, sagte Headrick. „Beim ersten Versuch ist es ziemlich fehlerlos herausgekommen.“

Die Forscher stellten fest, dass Oleum immer noch sorgfältig gehandhabt werden muss, aber sobald es mit den anderen Säuren verdünnt ist, ist die Lösung viel weniger aggressiv gegenüber anderen Materialien.

„Die Säuren, die wir verwenden, sind so viel schonender, dass man sie mit herkömmlichen Kunststoffen verwenden kann“, sagte Headrick. „Das öffnet die Tür zu vielen Materialverarbeitungs- und Drucktechniken, die bereits in Produktionsstätten eingesetzt werden.

„Es ist auch sehr wichtig, Kohlenstoffnanoröhren in andere Geräte zu integrieren und sie als einen Schritt in einem Geräteherstellungsprozess abzuscheiden“, sagte er.

Sie berichteten, dass die weniger korrosiven Lösungen keine schädlichen Dämpfe abgaben und nach der Produktion leichter zu reinigen waren. MSA und pToS können auch nach der Verarbeitung von Nanoröhren recycelt werden, wodurch ihre Umweltbelastung sowie Energie- und Verarbeitungskosten gesenkt werden.

Williams sagte, der nächste Schritt sei die Feinabstimmung des Lösungsmittels für Anwendungen und die Bestimmung, wie Faktoren wie Chiralität und Größe die Nanoröhrenverarbeitung beeinflussen. „Es ist wirklich wichtig, dass wir qualitativ hochwertige, saubere Rohre mit großem Durchmesser haben“, sagte er.

Co-Autoren der Arbeit sind die Alumna Lauren Taylor und die Doktoranden Oliver Dewey und Cedric Ginestra von Rice; Doktorandin Crystal Owens und die Professoren Gareth McKinley und A. John Hart am Massachusetts Institute of Technology; Alumna Lucy Liberman, Doktorandin Asia Matatyaho Ya’akobi und Yeshayahu Talmon, emeritierter Professor für Chemieingenieurwesen, am Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel; und Benji Maruyama, autonomer Materialleiter in der Material- und Fertigungsdirektion des Air Force Research Laboratory.