Systematyczna i wydajna charakterystyka nanomateriałów węglowych
Nanomateriały węglowe to bardzo duża rodzina alotropów węgla, czyli różnych form fizycznych charakteryzujących się zróżnicowanymi właściwościami fizycznymi, chemicznymi, termicznymi, elektrycznymi i magnetycznymi. Wśród nich można wymienić nanorurki węglowe, grafen, fulereny, węglowe kropki kwantowe i nanodiamenty, z kolei w ramach klasy nanorurek węglowych znajdują się warianty jednościenne, wielościenne oraz pojedynczo lub podwójnie wielościenne. Same ścianki, powstające w wyniku procesu zwijania arkusza grafenu, mogą być zygzakowate, chiralne lub charakteryzować się brzegiem fotelowym – zależy to od układu atomów węgla w wielu sześciokątnych pierścieniach. Popularyzacja ich zastosowań wymaga lepszego zrozumienia właściwości fizykochemicznych określonych nanomateriałów węglowych i ich związku z osiągami. Dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, badacze skupieni wokół projektu TACOMA wnieśli istotny wkład w wypełnienie tej luki w wiedzy poprzez opracowanie i zastosowanie in situ spektroskopii w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (XAS) i technologii czujników progu przejścia.
Tlenowe grupy funkcyjne oraz pozostałości metali
Dzięki orbitalom elektronowym znamy najbardziej prawdopodobne lokalizacje elektronów wokół jądra atomu. Orbitale hybrydowe powstają, gdy dochodzi do połączenia dwóch lub kilku orbitali. Nanomateriały węglowe charakteryzują się hybrydyzacją typu sp2 lub sp3. Jak wyjaśnia Sami Sainio, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” z Uniwersytetu w Oulu: „Właściwości i zastosowanie nanomateriałów węglowych są bezpośrednio związane z ich hybrydyzacją i orientacją orbitali, a być może także z innymi parametrami. Oprócz hybrydyzacji i orientacji orbitali, zbadaliśmy funkcjonalizację tlenową powierzchni i zawartość metali”. Celem projektu TACOMA było wskazanie głównych grup funkcyjnych zawierających tlen na powierzchniach nanomateriałów węglowych oraz ustalenie, które metale występują w tych materiałach. Ponadto projekt miał na celu określenie wpływu na obserwowane osiągi elektrochemiczne materiałów.
Czujniki progu przejścia i miękka spektroskopia rentgenowska
W ramach swoich badań Sainio wykorzystał dwie najnowocześniejsze technologie – spektroskopię absorpcji promieniowania rentgenowskiego oraz czujniki progu przejścia. Pierwsza z nich wykorzystuje promieniowanie synchrotronowe w próżni do wzbudzania elektronów i uzyskiwania specyficznych dla pierwiastka informacji atomowych dotyczących lokalnych struktur chemicznych i elektronowych. Pod drugą nazwą kryją się termometry działające w temperaturze bliskiej zera absolutnego, które umożliwiają wykrywanie pojedynczych fotonów uwalnianych podczas deekscytacji. W ramach prac przeprowadzonych wspólnie z naukowcami z amerykańskiego laboratorium Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), Sainio zastosował automatyzację procesów przemysłowych, by wspierać potencjalnych użytkowników rozwiązań, biorąc pod uwagę wymagania związane ze zdalną współpracą w dobie pandemii COVID-19. Takie rozwiązanie pozwoliło na około dziesięciokrotne zwiększenie przepustowości akceleratorów SSRL 8-2 i 10-1 w porównaniu z obsługą ręczną, umożliwiając badaczowi i innym użytkownikom systematyczną charakteryzację chemiczną powierzchni wielu różnych materiałów.
Rygorystyczna metoda naukowa drogą do sukcesu
„Wiemy teraz, że prawie wszystkie nanomateriały węglowe zawierają zanieczyszczenia metaliczne oraz że 13 różnych badanych nanomateriałów węglowych charakteryzuje się funkcjonalizacją tlenową powierzchni o wyjątkowym podobieństwie. Sugeruje to, że zachowania tych materiałów są wynikiem połączeń ich właściwości, a funkcjonalizacja tlenowa może odgrywać mniej istotną rolę niż wynikało to z dotychczasowych przekonań”, wyjaśnia Sainio. Badacz podkreślił konieczność i celowość stosowania rygorystycznej metody naukowej. Wiele badań koncentruje się na właściwościach powierzchni i ich funkcjonalizacji, uwzględniając ich kontakt z innymi materiałami. Rygorystyczne podejście opracowane na potrzeby projektu TACOMA pozwoliło na wykazanie, że funkcjonalizacja powierzchni wcale nie musi być świętym Graalem w dziedzinie projektowania nanomateriałów węglowych o egzotycznych właściwościach na potrzeby różnych zastosowań. To właśnie takie strategiczne badania umożliwią naukowcom scharakteryzowanie nanomateriałów węglowych w znormalizowany sposób, pozwalając na opracowanie modeli umożliwiających przewidywanie właściwości dotychczas niescharakteryzowanych materiałów. „Zainteresowani badacze mogą teraz spojrzeć na nasze wyniki i podjąć świadomy wybór materiałów, które mogą sprawdzić się w danym zastosowaniu i ustalić, czy takie materiały w ogóle istnieją”, podsumowuje Sainio.
Słowa kluczowe
TACOMA, nanomateriały węglowe, TES, XAS, nanorurki węglowe, funkcjonalizacja tlenowa powierzchni, SSRL, synchrotron, spektroskopia w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego, czujnik progu przejścia
