Российские исследователи научились измерять углеродные нанотрубки в воде

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) разработали метод определения диаметра и длины нанотрубок и нановолокон, взвешенных в воде.

Углеродные нанотрубки и нановолокна являются очень прочным и гибким материалом с высокой электро- и теплопроводностью, по своим свойствам не имеющим аналогов. Нанотрубки применяются для создания новых функциональных материалов в виде коллоидных растворов. Например, их использование в литий-ионных аккумуляторах значительно повышает энергоёмкость, а введение небольшого количества нанотрубок в полимер делает его проводящим.

Учёные говорят, что при приготовлении и применении коллоидных растворов нанотрубок важно распределить нанообъекты однородно в объёме растворителя и предотвратить их слипание (агломерирование). 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 агломерирования в жидкости.

Для определения диаметра и длины нанотрубок и нановолокон, взвешенных в воде, российские исследователи предлагают использовать ультразвук. Метод УЗ-спектроскопии основан на затухании волн на взвешенных в жидкости частицах благодаря вязко-упругому взаимодействию с ними. Коэффициент затухания волн зависит как от размера частиц, так и от частоты ультразвуковой волны.

«Изменяя частоту волны, получают спектр затухания, то есть зависимость коэффициента затухания от частоты. Ранее из таких измерений для коллоидов со сферическими частицами научились определять диаметр, причём довольно точно. Преимуществом этого метода является то, что коллоид не нужно разбавлять и измерения можно проводить быстро. Однако для частиц несферической формы, в частности, для длинных цилиндров простое приближение сферой не годится, и потребовалось искать другое решение. Проблема стала особенно актуальной с развитием промышленных применений коллоидных растворов с наноцилиндрами и нанопластинами», — говорят учёные.

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.

Более подробно об исследовании можно узнать в статье Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.