UD-forskere forsøgte først med 3D-kulstof nanorør-arkitekturer

Et hold af tre professorer i maskinteknik ved University of Delaware, plus forskere fra tre andre akademiske institutioner, samarbejder om at udvikle tredimensionelle (3D) kulstofnanorørstrukturer.

Både let og stærk, carbon nanorør (CNT'er) betragtes som et revolutionerende materiale med mange nyttige anvendelser på grund af deres unikke form og fremragende mekaniske, elektriske og termiske egenskaber. I løbet af de sidste 20 år, forskere har undersøgt deres anvendelse i avanceret elektronik, optik og strukturelle materialer såsom kompositter.

Mens mange forskere har undersøgt carbon nanomaterialer i en- og todimensionale former for CNT'er og grafen, henholdsvis, dette er det første forsøg på at skabe og bruge 3D carbon nanorør solide netværk.

Ledet af Rice University, tilskuddet på 7,5 millioner dollar fra forsvarsministeriet (DOD) finansieres gennem det multidisciplinære universitetets forskningsinitiativ (MURI). Projektet omfatter teams af forskere fra UD, Pennsylvania State University og University of Texas, Dallas.

Jonghwan Suhr, adjunkt i maskinteknik, er UDs ledende hovedefterforsker på projektet. Professorerne Bingqing Wei og X. Lucas Lu fungerer som nøgleforskere. Andre partnere i forskningen er Boeing, Wright Patterson Air Force Research Laboratory og Army Research Laboratory.

Hvert medlem af UD-teamet bringer unik viden til projektet. Suhrs ekspertise ligger i nanokompositter og kompositstrukturer, mens Lus viden er inden for biomekanik. Wei har specialiseret sig i syntese af nanomaterialer og energilagring. Samlet finansiering til UD er $ 1 million over fem år.

"For at anvende kulstof nanorør-teknologi i makroskopiske eller store applikationer, vi skal først syntetisere og karakterisere en robust, strukturelt forsvarligt 3D kulstof nanorør, ”Forklarer Suhr.

Mens det er udfordrende, han mener, at en 3D-arkitektur vil gøre CNT'er mere alsidige og kan føre til nye anvendelser i lette strukturelle materialer, energilagring og termisk styring.

Et nøgleproblem, der hindrer deres fremskridt, er fælles fiasko. CNT'er er fremstillet af et indviklet arrangement af syntetiske carbonatomer forbundet med led. Overgang fra en en- eller todimensionel arkitektur til en tredimensionel arkitektur er grundlæggende vanskelig, fordi forskere skal indføre atomskala-kryds eller samlinger mellem individuelle nanoskalaelementer, så de kan organiseres i et stærkt 3D-netværk.

Suhr og hans UD-kolleger planlægger at overvinde denne begrænsning ved hjælp af nye nanomaterialesynteseteknikker og evaluere det nye 3D-nanomateriale ved hjælp af biomekaniske teorier, der typisk anvendes på brusk eller knogle.

"Tredimensionelle kulstofnanorør er porøse og viskoelastiske, ligner menneskeligt væv. Mens menneskeligt væv er en kombination af væv og væske, kulstof nanorør er en kombination af strukturelt materiale og luft, " siger Lu.

Når først oprettet, UD-teamet vil studere nanorørets elektromekaniske respons ved hjælp af akustiske emissioner, lydbølger lavet af strukturen, at teste styrken af ​​den tredimensionelle arkitektur. Efter at have bestemt ved hvilken belastning samlingen fejler, teamet kan udvikle en måde at overvinde denne mangel på.

"Målet er at skabe faste materialer ved kontrolleret samling og atomare binding af nanoskala elementer, derved fører til netværksfaststoffer med bemærkelsesværdigt forbedrede termo-elektromekaniske egenskaber, " siger Suhr, som også er tilknyttet UD’s Center for Kompositmaterialer.

Hvis projektet lykkes, Suhr siger, forskere vil udvikle en dybere forståelse af de struktur-egenskabsrelationer, der er nødvendige for at optimere og i sidste ende kommercialisere 3D-kulstof nanorør-arkitekturer til industrielle applikationer. Virkelig indbyrdes forbundne 3D nanostrukturerede materialer vil også give ekstraordinære ejendomsforbedringer til applikationer, der understøtter strategiske DOD-initiativer.

“Dette prestigefyldte tilskud giver Jonghwan og hans team en glimrende mulighed for at skabe fundamentale nye gennembrud i brugen af ​​carbon nanorør, ” bemærkede Anette Karlsson, formand for Institut for Maskinteknik.