Hvordan skærer man et nanorør? Masser af komprimering (m/ video)

En pipefitter ved, hvordan man laver et nøjagtigt snit på en metalstang. Men det er langt sværere at forestille sig at få et præcist snit på et kulstof nanorør, med en diameter på 1/50, 000. tykkelsen af ​​et menneskehår.

I et papir offentliggjort i denne måned i det britiske tidsskrift Proceedings of the Royal Society A , forskere ved Brown University og i Korea dokumenterer for første gang, hvordan enkeltvæggede kulstofnanorør skæres, et fund, der kunne føre til at producere mere præcise, nanorør af højere kvalitet. Sådanne produktionsforbedringer vil sandsynligvis gøre nanorørene mere attraktive til brug i bilindustrien, biomedicin, elektronik, energi, optik og mange andre områder.

"Vi kan nu designe skærehastigheden og de diametre, vi ønsker at skære, " sagde Kyung-Suk Kim, professor i ingeniørvidenskab ved School of Engineering i Brown og den tilsvarende forfatter på papiret.

Det grundlæggende ved fremstilling af kulstof nanorør er kendt. Enkeltatoms tynde grafenplader nedsænkes i opløsning (normalt vand), får dem til at ligne en plade med sammenfiltret spaghetti. Det rodede bundt af nanorør sprænges derefter af højintensive lydbølger, der skaber hulrum (eller delvise vakuum) i opløsningen. De bobler, der opstår fra disse hulrum udvider sig og kollapser så voldsomt, at varmen i hver bobles kerne kan nå mere end 5, 000 grader Kelvin, tæt på temperaturen på solens overflade. I mellemtiden hver boble komprimeres med en acceleration 100 milliarder gange større end tyngdekraften. I betragtning af den fantastiske energi, der er involveret, det er næppe overraskende, at rørene kommer ud i tilfældige længder. Teknikere bruger sigter til at få rør af den ønskede længde. Teknikken er upræcis, dels fordi ingen var sikker på, hvad der fik rørene til at knække.

Materialeforskere troede oprindeligt, at de supervarme temperaturer fik nanorørene til at rive. En gruppe tyske forskere foreslog, at det var de soniske boomlets forårsaget af kollapsende bobler, der trak rørene fra hinanden, som et reb, der trækkes så voldsomt i hver ende, at det til sidst revner.

Kim, Brown postdoc-forsker Huck Beng Chew, og ingeniører ved Korea Institute of Science and Technology besluttede at undersøge nærmere. De lavede komplekse simuleringer af molekylær dynamik ved hjælp af en række supercomputere for at aflæse, hvad der fik kulstofnanorørene til at knække. De fandt ud af, at i stedet for at blive trukket fra hinanden, som de tyske forskere havde troet, rørene blev komprimeret kraftigt fra begge ender. Dette forårsagede en knækning i en sektion på cirka fem nanometer langs rørene kaldet kompressionskoncentrationszonen. I den zone, røret er snoet i skiftende 90-graders vinkelfolder, så det ligner en helix.

Den opdagelse forklarede stadig ikke fuldt ud, hvordan rørene skæres. Gennem mere computeriserede simuleringer, gruppen lærte den mægtige kraft, der blev udøvet af boblernes lydbom, der forårsagede, at atomer blev skudt af rørets gitterlignende fundament som kugler fra et maskingevær.

"Det er næsten som om en appelsin bliver presset, og væsken skyder ud sidelæns, " sagde Kim. "Denne form for brud ved kompressiv atomudstødning er aldrig blevet observeret før i nogen form for materialer."

Holdet bekræftede de computeriserede simuleringer gennem laboratorietest, der involverede sonikering og elektronmikroskopi af enkeltvæggede kulstofnanorør.

Gruppen lærte også, at skæring af enkeltvæggede kulstofnanorør ved hjælp af lydbølger i vand skaber flere knæk, eller bøjede områder, langs rørenes længde. Knækerne er "meget attraktive intramolekylære kryds til bygning af elektronik i molekylær skala, " skrev forskerne.