Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Partikelstørrelsen har betydning for porøse byggesten

Tynde (venstre) og tykke film lavet af porøse nanopartikler af calcium og silikat reagerede forskelligt under tryk som testet i et Rice University laboratorium. Partikler i de tynde film flyttede sig af vejen for en nanoindenter og tillod filmen at forblive intakt, mens tykke film revnede. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University

Porøse partikler af calcium og silikat viser potentiale som byggesten til en lang række anvendelser såsom selvhelbredende materialer, knoglevævsteknik, medicin levering, isolering, keramik og byggematerialer, ifølge Rice University ingeniører, der besluttede at se, hvor godt de præsterer på nanoskala.

Efter tidligere arbejde med selvhelbredende materialer ved hjælp af porøse byggeklodser, Rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari og kandidatstuderende Sung Hoon Hwang lavede en bred vifte af porøse partikler mellem 150 og 550 nanometer i diameter - tusindvis af gange mindre end tykkelsen af ​​et ark papir - med porer omkring bredden af ​​en DNA-streng.

De samlede derefter partiklerne til ark og pellets i mikronstørrelse for at se, hvor godt arrays holdt sig under tryk fra en nanoindenter, som tester et materiales hårdhed.

Resultaterne af mere end 900 tests, rapporteret i denne måned i American Chemical Society's ACS anvendte materialer og grænseflader , viste, at større individuelle nanopartikler var 120 procent sejere end mindre.

Det her, Shahsavari sagde, var et klart bevis på en iboende størrelseseffekt, hvor partikler mellem 300 og 500 nanometer gik fra sprøde til duktile, eller bøjelig, selvom de alle havde de samme små porer, der var 2 til 4 nanometer. Men de var overraskede over at opdage, at når de samme store partikler blev stablet, størrelseseffekten gik ikke helt over til de større strukturer.

Rice University materialeforskere testede strukturer lavet af calcium-silikat nanopartikler og fandt ud af, at partikler går fra sprøde til duktile, efterhånden som de øges i størrelse. Den komprimerede enkeltpartikel til venstre deformeret under trykket fra en nanoindenter. I midten og til højre, store partikler revnede ikke under tryk. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University

De afslørede principper burde være vigtige for videnskabsmænd og ingeniører, der studerer nanopartikler som byggesten i alle former for bottom-up fremstilling.

"Med porøse byggeklodser, kontrollere forbindelsen mellem porøsitet, partikelstørrelse og mekaniske egenskaber er afgørende for systemets integritet til enhver applikation, " sagde Shahsavari. "I dette arbejde, vi fandt, at der er en skør-til-duktil overgang, når partikelstørrelsen øges, mens porestørrelsen holdes konstant.

"Det betyder, at større submikron calcium-silikat-partikler er sejere og mere fleksible sammenlignet med mindre, gør dem mere skadetolerante, " han sagde.

Laboratoriet testede selvmonterede arrays af de bittesmå kugler samt arrays komprimeret under hvad der svarer til 5 tons inde i en cylindrisk presse.

Rice University materialeforskere syntetiserede sfæriske, porøse nanopartikler af calcium og silikat, dannede film og pellets og testede deres sejhed under tryk fra en nanoindenter. De fandt, at film lavet af større partikler, der nærmede sig 500 nanometer, var meget hårdere, og filmene og pellets var mindre tilbøjelige til at revne under tryk. Til højre, små partikler deformeres efter nanoindentation. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University

Fire størrelser kugler fik lov til at samle sig selv til film. Da disse blev udsat for nanoindentation, forskerne fandt ud af, at den iboende størrelseseffekt stort set forsvandt, da filmene viste variabel stivhed. Hvor det var tyndt, de svagt bundne partikler gav simpelthen plads til, at indenteren synkede igennem til glassubstratet. Hvor det var tykt, filmen knækkede.

"Vi observerede, at stivheden øges som en funktion af påførte fordybningskræfter, fordi når den maksimale kraft øges, det fører til en større fortætning af partiklerne under belastning, " sagde Shahsavari. "På det tidspunkt, hvor spidsbelastningen er nået, partiklerne er ret tæt pakket og begynder at opføre sig kollektivt som en enkelt film."

Pellets lavet af komprimerede nanosfærer med forskellige diametre deformeret under tryk fra nanoindenteren, men viste ingen tegn på at blive hårdere under tryk, rapporterede de.

"Som et næste skridt, vi er interesserede i at fremstille selvsamlede overbygninger med justerbar partikelstørrelse, der bedre muliggør deres tilsigtede funktionaliteter, som på- og aflæsning med stimulifølsomme tætningsmidler, samtidig med at den tilbyder den bedste mekaniske integritet, " sagde Shahsavari.


Varme artikler