Проект был запущен в 2017 году, когда делегация YTC America (дочерняя компания Yazaki Corporation) посетила Казанский федеральный университет. В ходе переговоров YTC предложил КФУ участвовать в разработке эффективных методов разделения одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) на металлические и полупроводниковые образцы. Это должно было быть сделано с трубками Tuball, производимыми OCSiAl, поскольку они единственные, доступные в настоящее время в промышленных количествах.

Углеродные нанотрубки (УНТ) – это семейство одномерных наноструктур с многочисленными проверенными применениями, которые стали возможными благодаря их превосходным механическим, оптическим и проводящим свойствам.

Однако применение УНТ затруднено из-за присутствия частиц с различной структурой в сырьевой производственной смеси, что скрывает уникальные свойства отдельных видов.

Существуют различные методы разделения УНТ, но их трудно масштабировать в основном из-за высокой стоимости используемых реагентов. Примечательно, что большинство из этих методов изначально были разработаны для сортировки белков и только недавно были приняты для разделения УНТ.

В этой статье авторы предлагают новый экономичный метод разделения, подходящий для обработки УНТ в промышленных масштабах. Метод разделения основан на пропускании раствора поверхностно-активного вещества УНТ через колонку, заполненную химически модифицированной ватой.

Один из существующих методов разделения, именуемый селективной гельпроникающей способностью, по своей сути представляет собой базовую колоночную хроматографию. А именно, раствор поверхностно-активного вещества УНТ пропускают через колонку, заполненную гранулированными гелями агарозы и / или декстрана с торговыми названиями «Сефароза» и «Сефакрил». И агароза, и декстран представляют собой полисахариды, полученные из глюкозы или глюкозоподобных строительных единиц. Целлюлоза – это природный полисахарид, состоящий из одинаковых структурных единиц. Вот почему команда решила попробовать этот материал в качестве наполнителя колонки для избирательной проницаемости.

Хлопок – это натуральная целлюлоза, обладающая большой площадью поверхности за счет волокнистой структуры. Соавтор Тимур Хамидуллин, аспирант группы Айрата Димиева (Лаборатория перспективных углеродных наноматериалов, Казанский федеральный университет) сделал первую попытку с натуральной ватой, купленной в местной аптеке. Несмотря на низкую эффективность сортировки, было зарегистрировано некоторое разделение, т.е. хлопок работал как наполнитель колонны. Вдохновленный результатом, Айрат Димиев решил химически модифицировать вату, чтобы изменить химическую природу ее поверхности. Результаты оказались даже выше ожиданий: это дало гораздо лучшую эффективность разделения по сравнению с первым испытанием. Потребовалось еще полтора года коллективных усилий группы, чтобы точно настроить химическую модификацию хлопка и соотношение поверхностно-активных веществ в диспергирующих и элюирующих растворах.

Использование модифицированной ваты позволило достичь уровня разделения, о котором ранее не сообщалось для Tuball CNT. Кроме того, модифицированная вата примерно в 200 раз дешевле, чем гидрогели на основе агарозы и декстрана, которые в настоящее время используются в методе селективного гель-проницаемого разделения. Масштабируемость метода ограничивается только диаметром разделительной колонки.

Основной вклад в работу внесли руководитель группы Айрат Димиев, аспирант Тимур Хамидуллин и постдоки Шамиль Галалтдинов и Артур Ханнанов.

В производственной смеси УНТ различной структуры и свойств скрывают ценность друг друга. Промышленный спрос на разделенные УНТ появится и будет расти в ближайшие годы. УНТ с металлической проводимостью могут использоваться в гибких прозрачных проводящих пленках и даже потенциально заменять металлы в проводке. Полупроводниковые УНТ могут использоваться в качестве транзисторов и платформ для визуализации и адресной доставки лекарств благодаря их отчетливому и уникальному излучению в ИК-области. Таким образом, эффективные методы разделения смесей для производства сырых УНТ поднимут применение УНТ на новый научный и технологический уровень. Более того, наличие готовых разделенных нанотрубок будет стимулировать поиск новых направлений их применения.

Основным направлением будущей работы является дальнейшее повышение эффективности разделения за счет точной настройки параметров процесса разделения и структуры модифицированной ваты. Оптимальная структура модифицированной ваты и условия ее производства до сих пор полностью не изучены; этот вопрос требует полного разрешения. После того, как это будет достигнуто, процесс должен быть доведен до промышленных количеств, а разделенные нанотрубки с различными типами проводимости должны быть испытаны для практических решений.

Документ размещен в Интернете и должен выйти в печать в июне 2021 года.

Источник: https://eng.kpfu.ru/[19459007visible