像普通塑料一樣使用的新型碳納米管材料

碳納米管粉末（a）在甲酚基溶劑中的四種連續狀態：（b）是用於鑄造薄膜的稀釋分散體，（c）用於塗覆塗層、塗布、絲網印刷或複合製備的厚漿，（d）用於3D印刷的自立凝膠，最後（e）可揉搓的麵糰；說明這種碳納米材料容易轉化成各種形狀。圖片來源：西北大學Jiaxing Huang組。

西北大學的Jiaxing Huang準備重新點燃碳納米管的研究熱情。他用一種曾經在家庭清潔劑中使用過的普通化學物質實現了這一研究目標。

通過使用一種廉價的、已經批量生產的簡單溶劑稱為甲酚，Huang發現了一種在前所未有的高濃度下製備分散碳納米管的方法，而不需要添加劑或苛刻的化學反應來改變納米管。令人驚訝的是，黃還發現，隨著納米管的濃度增加，材料從稀分散液轉變為厚漿，然後是自由站立凝膠，最後是可捏和成型的麵糰。

這項研究發表在5月14日的《美國國家科學院學報Proceedings of the National Academy of Sciences》雜誌上。

「碳納米管由於其優異的機械、熱和電性能，在許多應用領域引起了人們的廣泛關注，」西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程教授Huang說。「但經過幾十年的研究和開發，研究人員的一些興奮勁頭已經消退。」

原因何在？眾所周知，碳納米管特別難加工。大約比人類頭髮薄10000倍，據說這種絲狀結構比鋼更堅固，導熱和電性能遠好於銅。但是當通常以粉末的形式生產時，碳納米管子會扭曲並聚集在一起。這種併發症是材料廣泛應用的主要障礙。

基於碳納米管的麵糰可以被轉化成任意形狀，例如獨立的冷軋帶材。圖片來源：西北大學。

「聚集的管子在溶劑中很難分散，」Huang說。「如果你不能得到良好的分散，那麼你就不能製造出許多應用所依賴的高質量納米管薄膜。」

為了繞過這個問題，先前的研究人員使用添加劑塗覆納米管，這些納米管化學地改變了它們的表面並迫使它們分離。雖然這些方法是有效的，但它們留下的殘留物或改變納米管的表面結構，這可以削弱它們的理想特性。

相比之下，黃的研究小組發現甲酚不會惡化碳納米管的表面功能。而且，在分離糾纏管之後，研究人員可以通過清洗或加熱它來去除化學物質，直到它蒸發為止。

基於碳納米管的麵糰可以轉化成由模具限定的任意形狀。圖片來源：西北大學。

在解鎖碳納米管的新方法之後，黃和他的團隊發現了新的材料形式。隨著碳納米管的濃度增加，材料從稀分散體轉變為可展糊狀物到自由站立凝膠，最後過渡到可揉搓的麵糰。這些各種形式可以被模製、重塑或用作3D列印的導電油墨。

「納米管的麵糰狀態非常迷人，」 Huang實驗室的研究生Kevin Chiou說，他是該論文的第一作者說。「它可以很容易地成形和模塑成任意結構，就像橡皮泥一樣。」

Huang說：「從本質上講，這種溶劑體系使得納米管的性能就像聚合物一樣。看到甲酚基溶劑使碳納米管實現了很難加工的普通塑料的樣子，這真是令人興奮。」

來源：https://phys.org/news/2018-05-carbon-nanotubes-usable-common-plastics.html

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