То, что выглядит как губчатый шарик, обернутый нитями пряжи, но намного меньшего размера, может стать ключом к открытию более совершенных методов катализа, искусственного фотосинтеза или расщепления воды на водород, считают химики из Университета Райса, создавшие платформу для анализа взаимодействия между углеродными нанотрубками и широким спектром фотолюминесцентных материалов.
Микроскопические частицы, собранные в лаборатории Анхеля Марти, доцента кафедры химии и биоинженерии, объединяют однослойные углеродные нанотрубки с пористыми силикатными материалами, способными поглощать различные молекулы - в данном случае комплекс рутения.
Марти, аспирант и ведущий автор Авишек Саха и их коллеги сообщили о своих результатах 12 июля в журнале Королевского химического общества Chemical Science.
Способность иммобилизовать отдельные углеродные нанотрубки на твердой поверхности достаточно интересна, но сочетание супрамолекулярных систем с наноматериалами для создания гибридов уникально, говорят они.
«Это может быть использовано в качестве общей платформы для изучения взаимодействия не только комплексов рутения, но и большинства фотоактивных молекул, которые могут быть инкапсулированы в эти пористые силикаты очень простым способом без химической модификации, без чего-либо», - сказал Марти..
Саха терпел проб и ошибок на каждом этапе создания новых частиц, сначала выясняя лучший способ удержать длинные одностенные углеродные нанотрубки, полученные с помощью процесса HiPco, созданного Райсом, от агрегации в пучки, позволяя их прилипать к частицам.
Решение, предложенное соавтором Маттео Паскуали, профессором Райса в области химической и биомолекулярной инженерии и химии, заключалось в растворении пучков в хлорсульфоновой кислоте, которая добавляла протоны - и, таким образом, положительный заряд - к каждой нанотрубке.
Это было ключом к тому, чтобы сделать нанотрубки привлекательными для трех протестированных типов силикатных частиц: коммерческой версии MCM-41, мезопористого материала, используемого в качестве молекулярного сита; другая версия MCM-41, синтезированная в Rice компанией Saha, и микропористый Zeolyte-Y.
«Мы не до конца понимаем механизм, но правда в том, что они имеют очень сильное сходство с сетями оксида кремния», - сказал Марти, описывая частицы, обернутые нанотрубками. «Как только они протонированы, они просто связываются».
Но этого было недостаточно для создания надлежащей платформы, потому что протонированные наночастицы больше не являются фотолюминесцентными, что требовалось исследователям, чтобы «видеть» такие крошечные структуры под спектроскопом. «Протонированные нанотрубки - это круто, но мы хотим иметь чистые нанотрубки», - сказал Марти.
"Мы застряли там на какое-то время. Мы много чего пробовали", - сказал он. Ацетон, аммиак, хлороформ и другие вещества депротонируют нанотрубки, но также освобождают их от силикатных губок и позволяют им слипаться. Но винилпирролидон (ВП) сделал свое дело, придав нанотрубкам полимероподобное покрытие и вернув их в исходное состояние.
«Это становится интересным не только с точки зрения получения индивидуализированных нанотрубок на поверхности, но и потому, что мы получили флуоресценцию нанотрубок не из раствора, а из твердого материала», - сказал Марти.
Эксперимент пошел еще дальше, когда исследователи добавили в смесь молекулы рутения. Силикаты поглощали молекулы рутения, помещая их в непосредственной близости с массивом нанотрубок. Под спектроскопом комплексы рутения должны были фотолюминесцировать, но во взаимодействии они увидели что-то неожиданное.
По сути, мы выяснили, что если поместить туда фотоактивное вещество (рутений) и возбудить его светом, то произойдут два разных процесса. Если рядом есть углеродные нанотрубки, он перенесет электрон на нанотрубки. Существует перенос заряда, и мы знали, что это произойдет, - сказал Марти. - Когда мы анализировали спектр, мы не ожидали увидеть два разных вида комплексов рутения, один с очень коротким временем жизни фотолюминесценции, а другой - с очень большим».
Исследователи предположили, что рутений в центре губки находился слишком далеко от нанотрубок, чтобы передавать электроны, поэтому он сохранял свою стандартную люминесценцию.
Исследование приводит к некоторым интересным возможностям для материаловедения, сказал Саха. «MCM сам по себе имеет множество применений (например, в качестве мезопористого сита на топливных заводах), а углеродные нанотрубки - прекрасные материалы, которые интересуют многих людей. Мы просто объединяем эти два материала в гибридный материал, который может обладать достоинствами обоих.."
В то время как размеры пор в цеолитах заблокированы их кристаллической структурой на уровне 0,7 нанометров, поры в MCM могут быть настроены, как это сделал Саха, для поглощения определенных материалов.«Есть много вещей, которые мы можем сделать для настройки системы, которые мы еще не исследовали», - сказал он; объединение молекул металлов или даже квантовых точек с МКМ и нанотрубками может привести к интересным результатам.
Марти сказал, что размещение заряженных нанотрубок на поверхности твердого тела также открывает двери для использования их в качестве катализаторов в преобразовании солнечной энергии. «Вам нужна эта движущая сила, это разделение зарядов для искусственного фотосинтеза», - сказал он.
Соавторами статьи являются аспиранты Райса Саунаб Гош и Натнаэль Бехабту.
The Welch Foundation поддержал исследование.