Российские физики научились измерять нанотрубки «на слух»

Группа исследователей из МФТИ разработала установку, которая с помощью ультразвука измеряет размеры и степень слипания нанообъектов в коллоидных растворах. Исследование опубликовано в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.

Углеродные нанотрубки обладают целым рядом свойств, выделяющих их на фоне других материалов: крайне высокая прочность, электро- и теплопроводность. Во многих отраслях промышленности углеродные нанотрубки используются в виде коллоидных растворов, к примеру, для повышения электроемкости в электролитных аккумуляторах, или как промежуточный элемент техпроцесса, например для осаждения нанотрубок на подложку. Качество раствора и его конечные свойства напрямую зависят от того, насколько равномерно нанотрубки распределены в растворе, а также от их размеров. Для контроля размера и степени слипания нанообъектов как правило используют методы микроскопии. Однако, для этого раствор необходимо подготавливать: разбавлять до нужной концентрации или высушивать, что не подходит для экспресс-диагностики на производстве.

Для измерения размера нанотрубок исследователи решили использовать ультразвуковую спектометрию. Через раствор пропускали ультразвуковые волны разной частоты, которые рассеивались на взвешенных частицах. Таким образом ученые получали спектр затухания – зависимость коэффициента затухания от частоты. Ранее с помощью затухания ультразвука научились определять размер сферических частиц. Однако, в данной работе исследователи имели дело с объектами с соотношениями длины к диаметру порядка нескольких сотен. Чтобы вычислить отдельно диаметр и длину нанотрубок, спектры затухания снимали в двух разных состояния: — обычном (хаотичном) и упорядоченном.

Этот принципиальный подход воплотили в установке, представляющей собой контур, по которому циркулирует исследуемый раствор. В одном месте диаметр трубы сужается, за счёт чего нанотрубки в растворе ускоряются и ориентируются в сторону сужения. Поскольку труба резиновая, то с помощью изменения ее диаметра была подобрана ширина сужения, обеспечивающая максимальную параллельность нанотрубок. В месте сужения установили ультразвуковой излучатель и акустический датчик с обратной стороны трубы.

В ориентированном состоянии спектр затухания зависит только от диаметра частиц. Вычислив диаметр и сравнив спектры затухания хаотических и ориентированных частиц ученые вычислили и длину нанотрубок. Полученные данные сравнили с данными, полученными с помощью просвечивающего электронного микроскопа и атомно-силового микроскопа. Для двух растворов из трех данные с установки не сильно отличались от полученных с помощью микроскопии.

Руководитель исследовательской группы Виктор Иванов считает, что представленный метод может быть использован и для других наночастиц с большим соотношением длины и диаметра, к примеру графеновых нанодисков.