اتخذ فريق من الباحثين من جامعة رايس خطوة للأمام نحو تطوير طريقة فعالة لتشتيت الأنابيب النانوية مع الحفاظ على خصائصها الفريدة وما بعدها.
تسمح الطريقة الجديدة لاتحادات المعادن غير العضوية ذات الوظائف المختلفة بأن تكون على اتصال وثيق بأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار مع إبقائها منفصلة في المحلول.
يعد هذا الفصل ضروريًا للمصنعين لأنهم مهتمون بصنع ألياف من الأنابيب النانوية أو مزجها في مواد مركبة لزيادة قوتها أو الاستفادة من خصائصها الإلكترونية. أولاً، إن القدرة على تغيير خصائص الأنابيب النانوية قد تؤدي إلى تقدم مجموعة متنوعة من المجالات، مثل تطوير أجهزة استشعار التصوير، والتحفيز، وخلايا وقود الهيدروجين المعتمدة على الضوء. والأهم من ذلك، أنه يمكن الاحتفاظ بمحلول الأنابيب النانوية المتناثرة في الماء لعدة أسابيع.
إن منع الأنابيب النانوية من الالتصاق ببعضها البعض في المحاليل المائية، وربطها بجزيئات أخرى تسمح بإضافة خصائص مبتكرة، له مزايا وعيوب على حد سواء بالنسبة للعلماء الذين يدرسون هذه المواد شديدة التنوع.
وحاول الباحثون ربط جزيئات عضوية بسطح الأنابيب النانوية لإضافة خصائص جديدة وزيادة قابلية ذوبان الأنابيب النانوية. ومع ذلك، في حين أن هذه الطرق تسمح بالفصل بين الأنابيب النانوية عن بعضها البعض، إلا أنها تؤثر سلبًا على خصائصها الإلكترونية والحرارية والميكانيكية.
تقرير العالم أنجيل مارتي، أستاذ الكيمياء والهندسة الحيوية بجامعة رايس، وفريقه البحثي في مقال نشر في مجلة Science الاتصالات الكيميائية لأن اتحادات بوليبيريدين الروثينيوم فعالة بشكل خاص في تشتيت الأنابيب النانوية في الماء لفترات طويلة. مادة الروثينيوم عنصر معدني نادر.
قام الباحثون بإعداد الاتحادات عن طريق ربط العنصر المعدني الروثينيوم بعدة بروابط (جزيئات مستقرة ترتبط بأيونات المعادن). يكون الاقتران الجزيئي الناتج جزئيًا كارهًا للماء - "يطرد" الماء (الروابط) وجزئيًا محبًا للماء - ماء "محب" (أيون المعدن). ترتبط الروابط بإحكام بالأنابيب النانوية، بينما تتفاعل أيونات معدن الروثينيوم مع جزيئات الماء، وبالتالي يتم حفظ الأنابيب النانوية في المحلول وفصلها عن بعضها البعض.
في الأصل، نظر الباحثون إلى اتحادات الروثينيوم كجزء من دراسة تحاول تتبع طبقات بروتين الأميلويد المرتبطة بمرض الزهايمر. يقول الباحث الرئيسي: "لقد تساءلنا عما سيحدث إذا قمنا بتغيير أداة التوصيل المعدنية بحيث يمكنها الارتباط بالأنابيب النانوية". "ستوفر مثل هذه النتيجة زيادة في الذوبان والتشتت وتغيير خصائص المواد. قام أحد أعضاء فريق البحث الخاص بي بخلط هذه الاتحادات مع أنابيب نانوية كربونية نظيفة أحادية الجدار ووضع الخليط في غرفة بالموجات فوق الصوتية. لم يحدث شيء - لم تنتقل الأنابيب النانوية إلى المحلول، بل تراكمت ببساطة في قاع الوعاء. وكانت النتيجة مفاجئة بشكل خاص، ولكن هذه هي بالضبط الطريقة التي يتقدم بها العلم". وفي الخطوة التالية، قام الباحثون بإزالة السائل وإضافة الماء مكانه، وفجأة تحول المحلول إلى اللون الأسود. وكان هذا بسبب وجود كمية صغيرة من الروثينيوم.
ويشير الباحث إلى أنه "وجدنا أن 0.05% من مرافقة الروثينيوم هو التركيز الأمثل لإذابة الأنابيب النانوية". وأظهرت تجارب أخرى أن اتحادات الروثينيوم البسيطة ليست كافية لبدء التفاعل. الجزيء مطلوب بسبب "ذيله" الكاره للماء (الروابط) الذي يسعى إلى الحد الأدنى من الاتصال بالماء من خلال ارتباطه بالأنابيب النانوية.
بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن التألق الأصلي للأنابيب النانوية لم يتضرر بعد اتصالها بمرافقات الروثينيوم.
يوضح الباحث الرئيسي: "يجب أن تظل الأنابيب النانوية منفصلة لأسابيع، دون أي مشكلة". "لدينا حلول موجودة منذ عدة أشهر دون أي علامات على التفكك."
