Исследовательская группа из МФТИ разработала метод для определения диаметра и длины нанотрубок и нановолокон, взвешенных в воде. Ученые пропустили ультразвук через «раствор» с одинаково направленными нанотрубками и через такой же «раствор», но с хаотично ориентированными нанотрубками. По затуханию ультразвука оказалось возможным определить диаметр и длину нанотрубок, без разбавления или высушивания образца. В статье, опубликованной в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, приводится подробное описание нового метода.

«Созданный нами 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», — рассказывает Виктор Иванов, руководитель исследования.

Углеродные нанотрубки и нановолокна являются очень прочным и гибким наноматериалом с высокой электро- и теплопроводностью, по своим свойствам не имеющим аналогов. Углеродные нанотрубки применяются для создания новых функциональных материалов именно в виде коллоидных растворов.

При приготовлении и применении коллоидных растворов нанотрубок нанообъекты важно распределить однородно в объеме растворителя и предотвратить их слипание (агломерирование). От этого качества принципиально зависят свойства получаемых наноматериалов. Поэтому в промышленной технологии важно контролировать состав коллоидного раствора, а также уметь быстро измерять длину и диаметр цилиндрических нанообъектов и степень их агломерирования в жидкости.

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 — 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.

Метод применили для трех водных коллоидов на базе трех видов углеродных наноцилиндров. Чтобы проверить надежность метода, размеры нанообъектов были измерены с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и атомно-силового микроскопа. С целью добиться гарантированно максимальной ориентированности, исследователи использовали установку, которая позволяет регулировать скорость потока и размер суженной области.

Ученые провели предварительные тесты, в которых изменяли сначала ширину зазора, а потом скорость потока. Получив зависимость продольной вязкости от этих двух параметров, они определили, при каких значениях продольная вязкость минимальна. Таким образом они подобрали условия, при которых достигается максимальная ориентированность нанообъектов. В данных условиях для каждого коллоида были сняты спектры затухания и по ним определены диаметр и длина нанообъектов.