Nanoforskning egnet til en konge:Forskere tester styrken af ​​sammensatte bindinger et nanorør ad gangen

(PhysOrg.com) -- Arthur trak et sværd fra en sten, beviser for et kongerige, at højre slår måske. Forskere ved Rice University gør det samme på nanoskalaområdet.

I dette tilfælde, sværdet er et flervægget kulstof nanorør, og stenen er en perle af epoxy.

At vide præcis, hvor meget styrke, der er nødvendig for at trække nanorøret fra perlen, er afgørende for materialeforskeres fremskridt i kunsten at gøre stærkere, lettere kompositmaterialer til alt fra sportsudstyr til rumfartøjer.

Et hold ledet af Jun Lou, en assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Rice, og førsteforfatter Yogeeswaran Ganesan, der for nylig fik sin doktorgrad i Lou's laboratorium, har udgivet en artikel i American Chemical Society-tidsskriftet Applied Materials and Interfaces, der beskriver dets arbejde med at måle grænsefladesejheden af ​​carbon-nanorør-forstærkede epoxykompositter.

Lou, Ganesan og deres kolleger har endnu et nyt papir ind ACS Nano på at bruge samme teknik til at måle effekten af ​​nitrogendoping på kulstofnanorørs mekaniske egenskaber.

Nanorør er ved at finde vej ind i produkter, efterhånden som producenter satser på deres ry for styrke og lethed. Man kan købe baseballbat, tennisracketere og dyre cykler forstærket med nanorør.

"Carbon nanorør er så små (et hårstrå er 50, 000 gange bredere), at for at bruge dem på menneskelig skala, du skal gøre noget for at gøre dem større, " sagde Lou.

En sådan måde er at blande dem til kompositter, en ufuldkommen videnskab, der involverer meget trial and error, da den mulige styrke af grænsefladen mellem hver type nanorør og enhver type basismateriale ikke er godt forstået. Lou og hans team har til hensigt at eliminere gætværket med en måde at måle vigtige egenskaber ved en komposit, før den første batch blandes.

"Du ønsker ikke at bruge en masse tid og penge på en fancy kemisk behandling uden at vide, hvad der sker ved den kritiske grænseflade, " sagde Lou.

Single-fiber pullout tests er blevet brugt siden de tidlige dage af komposit fremstilling til at måle ikke kun styrken af ​​en binding, men når, hvorfor og hvordan det vil gå i stykker. Det er svært på nanoskalaen. Andre har brugt atomkraftmikroskoper som en del af trækmekanismen, men metoden har sine begrænsninger, Sagde Lou.

Rice-teamet har bygget en bedre enhed:en fjederbelastet, push-pull mikromekanisk samling på en siliciumchip, der gør det muligt for forskere at spænde et flervægget nanorør til et tæppe af epoxy på den ene side, mens den anden holdes fast på plads med et platinanker. Ved at trykke fjederen ned, anvendes samme kraft på begge sider, giver forskere mulighed for at se, hvor meget der skal til for at trække røret fra epoxyen.

Holdet rapporterede i det første papir, at tvangsbindinger af flervæggede nanorør til en epoxy til generelle formål kaldet Epon 828 faktisk var svagere, end de forventede. "Vi er begyndt at forstå, at tilføjelse af nanorør til bulkmateriale ikke altid giver dig bedre egenskaber, " sagde Lou. "Du skal være meget forsigtig med, hvordan du tilføjer dem, og hvilken slags grænseflade de danner."

Fordi partier af nanorør har tendens til at hænge sammen, nogle producenter funktionaliserer deres overflader for at sprede dem, før de blandes i et materiale. "Men det kan forstyrre ydermuren, og det er en dårlig ting, " sagde Lou. "Hvis du gør noget for at gøre nanorør let dispergerbare, men reducere deres iboende styrke, du skyder dig selv i foden."

På den anden side, han sagde, "Hvis producenter har brug for et sejt materiale, der absorberer energi uden at gå i stykker, en svagere grænseflade er måske ikke en dårlig ting. Under denne tilbagetrækningsproces, der er en masse friktion ved grænsefladen mellem nanorøret og matrixen, og friktion er effektivt en måde at sprede energi på. "

Nogle gange er slutproduktet bedre, hvis nanorøret strækkes, før det knækker. I ACS Nano-papiret, holdet sammenlignede trækstyrken for uberørt kontra nitrogendopede multivægede kulnanorør. De fandt ud af, at de uberørte rør har en tendens til at knække på en skør måde, mens nitrogen-doterede rør udviser tegn på plasticitet - "halsning", før de går i stykker.

Det kan være ønskeligt for visse materialer, sagde Lou. "Man bygger ikke en bro af keramik. Man bygger den af ​​stål på grund af dens plasticitet.

"Hvis vi kan udvikle en nanorør-komposit med stuetemperatur plasticitet, det bliver fantastisk, "sagde han." Det vil finde mange, mange anvendelser. "

Lou sagde, at Rices alsidige teknik til at udføre nanomekaniske eksperimenter er klar til at finde mange længe søgte svar. "At udvikle en evne til at konstruere nanokompositter med mekaniske egenskaber, der er skræddersyet til specifikke applikationer, er den ordsprogede hellige gral i al strukturel nanokomposit -forskning, "Ganesan sagde." Teknikken tager os i det væsentlige et skridt tættere på at nå dette mål. "