美国印地安纳州的普渡大学一组科学家说,他们已发现一种控制纳米管制造从而使之具有精确性能的方法。据研究人员称,其结果是获得有一定范围的纳米管,它具有极佳的物理及化学性能,从而可导致工业上的应用,如塑料的增强体。这个小组与其它小组不同,纳米管不是从碳或金属而是通过合成有机分子而成。虽然碳或金属型纳米管有某些优点,但不易像普渡工作组那样易于进行。普渡的化学家及小组负责人Hicham
Fenniri说:”通过合成化学,已能对纳米管进行完全控制”。
Fenniri的纳米管像螺旋形的一垛环形件,每一个环是由6个分子组成,每一环可以另外连接其它分子。通过对这种分子结构进行操纵,普渡小组已开发出具有特殊的附加性能。例如如果将尼龙分子连接上去,纳米管将变成非常长以及柔性的聚合物纤维,从而有很高强度。Fenniri小组能够用手征性进一步定制纳米管,即控制螺旋形管的取向。自然界只能在一个方向上扭曲分子,这就是为什么二氧核糖核酸分子老是向右扭转,被描述成具有右手征性。而Fenniri小组能使管在两个方向扭转,形成具左手征性纳米管,但不具有右手征性的纳米管。通过置放形成试验性纳米管的原材料,然后调节温度及压力条件,纳米管可形成不同形式,有几种是以前不曾见过的。Fenniri补充说:”一种纳米管在25℃形成,另一种物理化学性能不同的类型在70℃形成。这自然是一种简化说法,但说明我们已发现其中的原理。”纳米管性能控制的相对简易使Fenniri对其潜在的应用表示乐观。”此项技术有可能用来获得改进型的尼龙,也可用来制造增强塑料的纤维,用在船体、飞机以及人体装甲。另一可能是导电或光的纳米管可用来制造计算机记忆系统、高清晰显示仪以及生物传感器。”

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mori生产的丝绸纤维作为一种强劲而轻盈的奢华材料,已被誉为数千年。尽管尼龙和聚酯等合成聚合物成本较低,但它们与丝绸的天然品质和机械性能无法相比。根据匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究,丝绸与碳纳米管相结合可能会产生新一代的生物医学设备和所谓的瞬态可生物降解电子设备。

为了获得氧还原反应的最佳性能,应用不同的掺杂方式得到的不同碳材料。图中灰色是碳,粉红色是硼,蓝色是氮和白色是氢。

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美国莱斯大学的科学家们正在探索一种方法:即如何通过优化阴极的纳米材料来提高燃料电池的成本效益,并说明了掺杂纳米材料催化氧还原反应的原子级机制。氮掺杂碳纳米管或改性石墨烯纳米带可以成为铂在快速氧还原中的可行替代物,将化学能转化为电能,该过程是燃料电池的主要反应。

该研究“通过与碳纳米管的分子相互作用促进丝素蛋白膜的富含螺旋结构和透明生物降解装置的选择性加热”在美国化学学会杂志Applied
Nano Materials的10月26日封面上进行了报道。

由于它们具有良好的导电性和机械性,因此高性能、设计性好的碳材料是氧还原反应的关键。正如研究人员Xiaolong
Zou在“Materials
Today”中所谈到的一样:“开发阴极氧还原反应中的高效催化剂对于质子交换膜燃料电池的大规模应用是至关重要的。”据Nanoscale杂志[Zou
et. al. Nanoscale DOI:
10.1039/C7NR08061A]可知,通过使用计算机模拟,研究小组研究了为什么石墨烯纳米带和氮/硼掺杂的碳纳米管反应太慢,以及该如何改善的问题。

“丝绸是一种非常有趣的材料。它是由人类几千年来使用的天然纤维制成的高品质纺织品,但我们作为工程师最近开始欣赏丝绸的许多新兴应用的潜力,如柔性生物电子学其独特的生物相容性,生物降解性和机械灵活性,“Swanson学院工业工程助理教授,该论文的第一作者Mostafa
Bedewy指出。“问题在于,如果我们想要将丝绸用于这种应用,我们不希望它以纤维的形式存在。相反,我们希望以具有所需光学性能的薄膜形式再生丝蛋白,称为丝心蛋白。
,机械和化学性质。“

导电纳米管或掺杂的纳米带改变了它们化学键的特性,这有助于它们在质子交换膜燃料电池中用作阴极。在标准燃料电池中,阳极加入氢燃料,然后将其分离成质子和电子。当负电子流出成为可用电流时,质子被拉入阴极与电子和氧气再结合生成水。

如下面视频中的作者所解释的,这些再生的丝纤蛋白然而通常在水中是化学不稳定的并且由于难以精确控制RSF膜中丝心蛋白的分子结构而具有较差的机械性质。Bedewy和他的NanoProduct实验室小组也广泛研究碳纳米管,认为纳米管和丝心蛋白之间的分子相互作用可能能够“调整”RSF蛋白的结构。

据发现,由于掺杂剂之间的相互作用以及化学键的变形,氮掺杂多的超薄碳纳米管能够最有效地发挥作用。纳米管在这方面比纳米带好,因为它们的曲率,扭曲了化学键的边缘使其更容易结合。他们发现半径在7至10埃之间的超薄纳米管是最理想的。

“碳纳米管的一个有趣的方面是,当它们分散在聚合物基质中并暴露在微波辐射下时,它们会局部升温,”Bedewy博士解释说。“因此,我们想知道我们是否可以利用这种独特的现象在”RSF-CNT“复合材料中的CNT周围的丝心蛋白结构中产生所需的转变。”

开发阴极氧还原反应中的高效催化剂对于质子交换膜燃料电池的大规模应用是至关重要的。

根据Bedewy博士的说法,微波辐射与溶剂蒸汽处理相结合,为蛋白质结构提供了独特的控制机制,并产生了与合成聚合物相当的柔韧透明薄膜,但其可以更具可持续性和可降解性。这些RSF-CNT薄膜具有用于柔性电子设备,生物医学设备和瞬态电子设备的潜力,例如可在体内使用数小时至数周的所需时间的传感器,然后自然溶解。

还证明了具有丰富边缘,掺杂氮和硼的石墨烯纳米带显示了与吸收氧的纳米管相当的性能。在这里,氧气提供了形成双键的机会,因为它们可以直接连接到带正电荷的硼掺杂位点。正如Boris
Yakobson所说:“虽然掺杂纳米管显示出良好的前景,但是在纳米带锯齿边缘取代氮可以暴露所谓的吡啶氮(其具有已知的催化活性),因此可能实现最佳性能。”

“我们很高兴在未来进一步推进这项工作,因为我们期待着开发这些独特功能材料的科学和技术方面,”Bedewy博士说。“从科学的角度来看,关于纳米管表面和蛋白质分子的功能化之间的分子相互作用还有很多东西要理解。从工程的角度来看,我们希望开发可扩展的制造工艺,用于获取天然蚕丝的茧并将它们转化为用于下一代可穿戴和植入式电子设备的功能性薄膜。“

现在,该团队希望开发出新的方法来实时的研究纳米级电化学过程,以及更好地进行掺杂物与有缺陷的碳材料之间的相互作用以提高性能。

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