Исследовательская группа из МФТИ разработала метод для определения диаметра и длины нанотрубок и нановолокон, взвешенных в воде. Подробно об исследовании ученые рассказали в статье, опубликованной в Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, поппулярно о нем сообщает пресс-служба МФТИ.

Углеродные нанотрубки и нановолокна являются очень прочным и гибким наноматериалом с высокой электро- и теплопроводностью, по своим свойствам не имеющим аналогов. Сегодня трудно назвать отрасль, в которой они не используются, потому что область их применения постоянно расширяется. Потребность в измерении нанотрубок существует во всех случаях, когда они используются при производстве, например, при производстве литий-ионных аккумуляторов для повышения энергоёмкости. 

Но, несмотря на полезные свойства нанотрубок, использовать их достаточно сложно именно из-за малых размеров. Для работ с нанотрубками используются коллоидные растворы -  смесь двух веществ, которая отличается от раствора тем, что одно вещество не растворяется в другом, а распределено там в виде мелких частиц. При приготовлении и применении коллоидных растворов нанотрубок важно, чтобы нанообъекты были распределены в объёме растворителя однородно и не слипались - от этого качества принципиально зависят свойства получаемых наноматериалов. Поэтому в промышленной технологии важно контролировать состав коллоидного раствора и уметь быстро измерять длину и диаметр цилиндрических нанообъектов и степень их слипания в жидкости.

Для того, чтобы вычислить длину и диаметр нанотрубок, ученые предложили использовать метод ультразвуковой спектроскопии. Учёные пропустили ультразвук через «раствор» с одинаково направленными нанотрубками и через такой же «раствор», но с хаотично ориентированными нанотрубками. По затуханию ультразвука в этих двух состояниях нанотрубок оказалось возможным определить их диаметр и длину с достаточной точностью, без разбавления или высушивания образца.

«Опираясь на теоретические предсказания, авторы исследования предложили измерять спектры затухания ультразвука для двух состояний коллоида с цилиндрическими наночастицами. Одно состояние — это когда наноцилиндры направлены хаотично. Второе состояние — когда наноцилиндры направлены в одну сторону и перпендикулярны направлению тестирующих ультразвуковых волн. В последнем случае затухание ультразвука зависит только от диаметра цилиндрических объектов, что позволяет его измерить независимо. Сравнивая два спектра, можно получить соотношение длины и диаметра, а зная диаметр, несложно вычислить длину», - поясняется в сообщении.

В ходе эксперимента ученые применили предложенный ими метод для трёх водных коллоидов на базе трёх видов углеродных наноцилиндров. Чтобы проверить надёжность метода, размеры нанообъектов были измерены с помощью просвечивающего электронного микроскопа и атомно-силового микроскопа.

Как показали исследования, метод позволяет изменить размеры нанотрубок в растворе, не прикасаясь к ним и не извлекая их из раствора. Как полагают исследователи, методика может быть применимы для работы и с другими наноматериалами.

«Созданный метод применим для определения диаметра и длины длинномерных нанообъектов любого состава. В данном исследовании в качестве объектов выбрали именно углеродные наноматериалы ввиду их высокой актуальности. Мы разработали метод для измерения размеров цилиндрических нанообъектов, у которых длина гораздо больше диаметра. Считаем, что похожий метод можно применить и для обратной ситуации: когда диаметр много больше длины, то есть для нанодисков, к которым, в частности, относится и графен», – приводятся в тесте пояснения член-корреспондента РАН, д.ф.-м.н., директора Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, руководителя исследования Виктора Иванова.