Американские учёные делают очередной шаг навстречу технологиям печатной электроники. В своей последней работе группа исследователей из Йельского университета описывает новую универсальную методику создания композитных материалов из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) и различных функциональных полимеров.

Такие мультикомпозитные покрытия уже широко используются в органических светоизлучающих диодах, солнечных батареях и топливных элементах, но до сих пор остаются весьма дорогостоящими и трудными в получении. Результаты работы опубликованы в электронной версии журнала ACS Nano.

Электроды литий-ионных аккумуляторов, мембраны топливных элементов, анодные компоненты фотоэлементов – проводящие материалы для каждого случая должны обладать разными свойствами. (Так, например, для изготовления солнечных батарей подходят только прозрачные материалы с хорошей электронной проводимостью и морфологией поверхности, а для топливных элементов – материалы, в которых сбалансированно сочетаются пористость, электропроводность и высокая ионная проводимость.)

На сегодняшний день для этих целей широко применяются различные мультифункциональные композиты, в том числе и композиты одностенных углеродных нанотрубок с полимерами.

В подобных материалах молекулы УНТ служат своеобразным каркасом, идеальным среди прочих благодаря большой площади свободной поверхности нанотрубок и их высокой термо- и электропроводимости.

Однако получить стабильные дисперсии УНТ в растворах полимеров непросто. Зачастую межмолекулярные силы притяжения и отталкивания между диполями молекул, то есть Ван-дер-ваальсовы взаимодействия атомов углерода нанотрубок, гораздо сильней их притяжения к молекулам растворителя. В результате молекулы УНТ выпадают в осадок. Во избежание этого поверхность нанотрубок модифицируют: пришивают к ней полярные или неполярные функциональные группы, улучшающие растворимость. Однако одновременно с такой модификацией теряются и уникальные свойства УНТ.

Разрешить эту дилемму, а скорее, даже избежать её, помогает способ, предложенный исследовательской группой во главе с Ли Сяокаем (Li Xiaokai). По их методике, сначала изготавливается раствор нанотрубок в карбоксиметилцеллюлозе. Он в избытке наносится на перемещающуюся подложку, с которой излишки раствора механически удаляются при прохождении препятствия – цилиндрического вала со спиральной насечкой. При этом от размера вала и насечки значительно зависит толщина получаемого покрытия. Карбоксиметилцеллюлоза удаляется в свою очередь посредством кислотной обработки, и на стеклянной подложке остаётся покрытие из углеродных нанотрубок. После на него наносится необходимый полимер, который заполняет собой полости углеродного покрытия.

В работе исследователи говорят об успешном создании описанных композитов различного состава – Нафион/МУНТ (полимер нафион широко используется в составе мембран топливных элементов), поливиниловый спирт/МУНТ, Поливинилиден флуорид/МУНТ.

Все полученные покрытия по своим свойствам не уступают, а зачастую и превосходят аналоги. Кроме того, учёные утверждают, что их технология идеально подходит для создания гибких проводящих материалов (полученное проводящее покрытие можно отделить от стеклянной подложки), а значит, способна вытеснить общераспространённые в органических светоизлучающих диодах и фотоэлементах покрытия на основе ИТО-стекла (стекла, покрытого проводящим оксидом индия и олова).

Таким образом, предложенная методика позволяет легко и сравнительно дёшево получать композитные материалы для энергосберегающих технологий. Кроме того, она может быть масштабирована до промышленного производства и легко изменена для работы с новыми полимерами в зависимости от возникающих потребностей.

Источник информации:

Xiaokai Li, Forrest Gittleson, Marcelo Carmo, Ryan C. Sekol, and Andre Taylor Scalable Fabrication of Multifunctional Freestanding CarbonNanotube/Polymer Composite Thin Films for Energy Conversion. – ACS Nano. – Publication Date (Web): 11 Jan 2012.