Σχηματική απεικόνιση νανοκεράτων άνθρακα (CNHs)

23/05/2007

Τη διαλυτοποίηση νανοσωλήνων άνθρακα με κατάλληλη χημική τροποποίηση πέτυχε ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών (ΕΙΕ) με επιστημονικό υπεύθυνο τον Δρα Νίκο Ταγματάρχη. Η επιτυχία αυτή έχει ήδη προσελκύσει διεθνή αναγνώριση και φαίνεται να ανοίγει σημαντικές προοπτικές για τεχνολογικές εφαρμογές, με τη σύνθεση νέων λειτουργικών νανοδομημένων υβριδικών υλικών.

Συγκεκριμένα, τα νανοκέρατα άνθρακα (Carbon Nanohorns - CNHs) είναι μια νέα καινοτόμα μορφή νανοδομημένου άνθρακα που ανακαλύφθηκε το 1999. Τα CNHs παρασκευάζονται με τη μέθοδο laser ablation του κοινού γραφίτη σε αδρανείς συνθήκες, με υψηλές αποδόσεις, χωρίς προσμίξεις μετάλλων και, από το 2004, σε μακροσκοπικές ποσότητες ικανές για να μελετηθούν αναλυτικά. Τα CNHs διαφέρουν από τους γνωστούς νανοσωλήνες άνθρακα (τους κενούς και απίστευτα λεπτούς κυλίνδρους γραφίτη με διάμετρο της τάξης του δισεκατομμυριοστού του μέτρου) όχι μόνο στo δομικό σχήμα τους, αφού το ένα άκρο τους καταλήγει σε σχήμα κώνου, αλλά επίσης και στο γεγονός ότι σχηματίζουν σφαιρικές δευτεροταγείς υπερμοριακές δομές με τη μορφή συσσωματωμάτων τυπικής διαμέτρου 80 νανομέτρων, που θυμίζουν τα άνθη ντάλιας.

Σε αντίθεση με τους νανοσωλήνες άνθρακα, κατά τη διαδικασία παραγωγής των CNHs δεν χρησιμοποιούνται καταλύτες από μέταλλα μετάπτωσης, με αποτέλεσμα τα CNHs να παράγονται τελείως καθαρά από προσμίξεις. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαιτέρως σημαντικό, αφού δεν χρειάζονται περαιτέρω επεξεργασία καθαρισμού, μια διαδικασία που ως γνωστόν επηρεάζει όχι μόνο τις μηχανικές και ηλεκτρονιακές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα αλλά και τα μοναδικά μορφολογικά χαρακτηριστικά τους. Σε κάθε περίπτωση όμως, περιοριστικός παράγοντας στην χρήση των CNHs, όπως και στους νανοσωλήνες άνθρακα, είναι το γεγονός ότι παραμένουν αδιάλυτα σε οργανικούς διαλύτες ή/και σε υδατικά διαλύματα.

Πρόσφατα, ο Δρ Νίκος Ταγματάρχης και η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Γεωργία Παγώνα στο Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών στην Αθήνα, σε συνεργασία με μέλη της ερευνητικής ομάδας του Καθηγητή Sumio Iijima στα ερευνητικά εργαστήρια της Ιαπωνικής εταιρίας NEC Corp, τροποποίησαν χημικά τα CNHs, καθιστώντας τα διαλυτά σε διάφορους οργανικούς διαλύτες, αλλά και σε υδατικά διαλύματα.

Όπως περιγράφεται στο ερευνητικό άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Chemistry of Materials (Vol. 18, Issue 17, p. 3918, DOI: 10.1021/cm0604864) της American Chemical Society, o Δρ Ν. Ταγματάρχης και οι συνεργάτες του αφαίρεσαν το κωνικό άκρο των CNHs εισάγοντας παράλληλα καρβοξυλικές ομάδες στα ανοιχτά άκρα τους. Οι ήπιες συνθήκες τροποποίησης διατήρησαν την υψηλή καθαρότητα των CNHs και τη μοναδική καινοτόμο δομή τους. Στη συνέχεια, οι καρβοξυλικές ομάδες ενεργοποιήθηκαν μέσω μετατροπής τους στα αντίστοιχα ακυλοχλωρίδια των CNHs, τα οποία τελικά αντέδρασαν με μια πληθώρα αμινών, αλκοολών και θειολών, εισάγοντας έτσι μεγάλες ή μικρές υδρόφοβες ή υδρόφιλες αλκυλο-αλυσίδες, χρωμοφόρα μόρια, ακόμα και προστατευμένες ενεργές ομάδες για περαιτέρω χημική τροποποίηση.

Τα νέα υβριδικά υλικά των χημικά τροποποιημένων CNHs έδειξαν την αναμενόμενη διαλυτότητα στους διάφορους οργανικούς διαλύτες. Για παράδειγμα, πολικά υβριδικά υλικά είναι διαλυτά σε πολικούς διαλύτες, ενώ αντίστοιχα άπολα υβριδικά υλικά είναι διαλυτά σε άπολους διαλύτες. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνική της Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας με Υψηλή Διακριτική Ικανότητα (HR-TEM) για την παρατήρηση των νέων υβριδικών υλικών, βεβαιώνοντας ότι τα τροποποιημένα CNHs διατηρούν τη χαρακτηριστική τους μορφολογία στο διάλυμα. Επιπρόσθετα, αναλυτικές φασματοσκοπικές τεχνικές βοήθησαν στον εκτενέστερο χαρακτηρισμό των τροποποιημένων CNHs και τη μελέτη των ιδιοτήτων τους στο διάλυμα. Μάλιστα υπάρχουν ενδείξεις ότι στην περίπτωση τροποποίησης των CNHs με ομάδες δότες ηλεκτρονίων παρατηρείται ηλεκτρονιακή ενδομοριακή επικοινωνία μεταξύ των CNHs και του ηλεκτρονιακά πλούσιου μορίου.

Όπως υπογραμμίζει ο Δρ Ν. Ταγματάρχης, "η διαδικασία τροποποίησης των CNHs ανοίγει νέους ορίζοντες για τη σύνθεση πληθώρας νανοϋβριδικών υλικών βασισμένων σε CNHs. Τα υλικά αυτά θα είναι κατάλληλα για νανοτεχνολογικές εφαρμογές, ειδικότερα σε συστήματα μετατροπής ενέργειας καθώς και σε συστήματα που μιμούνται τη φωτοσύνθεση, μέσω διαδικασιών που βασίζονται στη μεταφορά ηλεκτρονιακού φορτίου ή/και ενέργειας, όπως για παράδειγμα στην εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας και τη δημιουργία καινούριας γενιάς φωτοβολταϊκών κυττάρων καθώς και κυψελών καυσίμων, όπου τα CNHs θα έχουν το ρόλο του ιδανικού ηλεκτρονιακού αποδέκτη."

www.ekt.gr, με πληροφορίες από EIE