Автор AZoNano декабрь 15 2020

Исследователи наноматериалов в Финляндии, США и Китае создали цветной атлас для 466 уникальных разновидностей однослойных углеродных нанотрубок.

Цветовой атлас нанотрубок подробно описан в исследовании Advanced Materials посвященном новому методу прогнозирования конкретных цветов тонких пленок, полученных путем комбинирования любых из 466 разновидностей. Исследование было проведено учеными из Университета Аалто в Финляндии, Университета Райса и Пекинского университета в Китае.

« Углерод, который мы видим как черный, может казаться прозрачным или принимать любой цвет радуги», – сказал физик Аалто Эско Кауппинен, автор исследования. «Лист выглядит черным, если свет полностью поглощается углеродными нанотрубками в листе. Если менее половины света поглощается нанотрубками, лист выглядит прозрачным. Когда атомная структура нанотрубок вызывает только определенные цвета света или длин волн, которые должны быть поглощены, длины волн, которые не поглощаются, отражаются как видимые цвета ».

Углеродные нанотрубки – это длинные полые углеродные молекулы, похожие по форме на садовый шланг, но со сторонами толщиной всего в один атом и диаметром примерно в 50 000 раз меньше человеческого волоса.

Внешние стенки нанотрубок сделаны из свернутого графена. Угол намотки графена может быть разным, как и угол наклона рулона праздничной подарочной оберточной бумаги.

Если подарочную упаковку аккуратно свернуть под нулевым углом, концы бумаги будут совпадать с каждой стороной трубки подарочной упаковки. Если бумагу намотать небрежно под углом, она будет выступать за один конец трубки.

Атомная структура и электронное поведение каждой углеродной нанотрубки продиктовано ее углом намотки, или хиральностью, и ее диаметром.

Эти две характеристики представлены в системе нумерации «(n, m)», которая каталогизирует 466 разновидностей нанотрубок, каждая из которых имеет характерное сочетание хиральности и диаметра. Каждый (n, m) тип нанотрубок имеет характерный цвет.

Исследовательская группа Кауппинена изучала углеродные нанотрубки и тонкие пленки нанотрубок в течение многих лет, и ранее ей удалось освоить производство цветных тонких пленок из нанотрубок, которые выглядели зелеными, коричневыми и серебристо-серыми.

В новом исследовании команда Кауппинена изучила взаимосвязь между спектром поглощенного света и визуальным цветом различной толщины пленок из сухих нанотрубок и разработала количественную модель, которая может однозначно определить механизм окраски пленок из нанотрубок и предсказать конкретные цвета. пленок, сочетающих трубки с разными цветами и обозначениями (n, m).

Инженер и физик Райс Дзюнъитиро Коно, лаборатория которого раскрыла тайну разноцветных нанотрубок в кресле в 2012 году, предоставила пленки, сделанные исключительно из (6,5) нанотрубок, которые использовались для калибровки и проверки модели Аалто.

Исследователи из университетов Аалто и Пекина использовали эту модель для расчета поглощения пленки Риса и ее визуального цвета. Эксперименты показали, что измеренный цвет пленки довольно близко соответствовал цвету, прогнозируемому моделью.

Модель Аалто показывает, что толщина пленки нанотрубок, а также цвет нанотрубок, которые она содержит, влияют на поглощение света пленкой. Атлас 466 цветов пленок из нанотрубок Аалто является результатом объединения различных трубок.

Исследование показало, что самые тонкие и самые красочные трубки влияют на видимый свет больше, чем трубки большего диаметра и блеклые цвета.

«Группа Эско проделала отличную работу по теоретическому количественному объяснению цветов, что действительно отличает эту работу от предыдущих исследований флуоресценции и окраски нанотрубок», Коно сказал.

С 2013 года лаборатория Коно первой изобрела метод создания высокоупорядоченных пленок из двумерных нанотрубок. Коно сказал, что надеялся снабдить команду Кауппинена высокоупорядоченными двухмерными кристаллическими пленками нанотрубок одной хиральности.

«Это была первоначальная идея, но, к сожалению, в то время у нас не было подходящих пленок с выравниванием по одной хиральности», – сказал Коно. «В будущем наше сотрудничество планирует расширить эту работу для изучения поляризационно-зависимых цветов в высокоупорядоченных двумерных кристаллических пленках».

Экспериментальный метод, который исследователи Аалто использовали для выращивания нанотрубок для своих пленок, был таким же, как и в их предыдущих исследованиях: нанотрубки растут из газообразного оксида углерода и железных катализаторов в реакторе, который нагревается до более чем 850 градусов Цельсия.

Рост нанотрубок разного цвета и (n, m) обозначений регулируется с помощью углекислого газа, добавляемого в реактор.

« Со времени предыдущего исследования мы размышляли, как мы могли бы объяснить появление цветов нанотрубок, », – сказал Нан Вэй, доцент-исследователь Пекинского университета, который ранее работал докторантом. в Аалто. «Из аллотропов углерода графит и уголь черные, а чистые алмазы бесцветны для человеческого глаза. Однако теперь мы заметили, что однослойные углеродные нанотрубки могут принимать любой цвет: например, красный, синий, зеленый или коричневый. . "

Кауппинен сказал, что цветные тонкие пленки из нанотрубок податливы и пластичны и могут быть использованы в окрашенных электронных структурах и в солнечных элементах.

«Цвет экрана можно было изменить с помощью тактильного датчика в мобильных телефонах, других сенсорных экранах или, например, поверх оконного стекла», он сказал.

Кауппинен сказал, что исследование может также заложить основу для новых видов экологически чистых красителей.

Коно – профессор электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинжиниринга, а также директор программы магистратуры по прикладной физике Райс.

Источник: https://www.rice.edu/