Små bobler knækker kulstofnanorør som kviste

Hvad er 100 gange stærkere end stål, vejer en sjettedel så meget og kan knækkes som en kvist af en lille luftboble? Svaret er et kulstof nanorør - og en ny undersøgelse fra Rice University-forskere beskriver præcis, hvordan de meget undersøgte nanomaterialer snapper, når de udsættes for ultralydsvibrationer i en væske.

"Vi finder ud af, at det gamle ordsprog 'Jeg vil knække, men ikke bøje' ikke holder på mikro- og nanoskalaen, " sagde Rice ingeniørforsker Matteo Pasquali, den ledende videnskabsmand på undersøgelsen, som vises i denne måned i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Carbon nanorør - hule rør af rent kulstof omtrent lige så brede som en DNA-streng - er et af de mest undersøgte materialer inden for nanoteknologi. I godt et årti, forskere har brugt ultralydsvibrationer til at adskille og forberede nanorør i laboratoriet. I den nye undersøgelse, Pasquali og kolleger viser, hvordan denne proces fungerer - og hvorfor den er til skade for lange nanorør. Det er vigtigt for forskere, der ønsker at lave og studere lange nanorør.

"Vi fandt ud af, at lange og korte nanorør opfører sig meget forskelligt, når de sonikeres, " sagde Pasquali, professor i kemisk og biomolekylær teknik og i kemi ved Rice. "Kortere nanorør bliver strakt, mens længere nanorør bøjes. Begge mekanismer kan føre til brud."

Opdaget for mere end 20 år siden, kulstof nanorør er et af nanoteknologiens originale vidundermaterialer. De er tætte fætre til buckyball, partikelen, hvis opdagelse i 1985 ved Rice var med til at sætte gang i den nanoteknologiske revolution.

Nanorør kan bruges i overmalbare batterier og sensorer, at diagnosticere og behandle sygdom, og til næste generations elkabler i elnet. Mange af de optiske og materielle egenskaber ved nanorør blev opdaget på Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, og den første produktionsmetode i stor skala til fremstilling af enkeltvæggede nanorør blev opdaget ved Rice af instituttets navnebror, afdøde Richard Smalley.

"Bearbejdning af nanorør i væsker er industrielt vigtigt, men det er ret svært, fordi de har tendens til at klumpe sammen, " sagde medforfatter Micah Green. "Disse nanorørklumper vil ikke opløses i almindelige opløsningsmidler, men sonikering kan bryde disse klumper fra hinanden for at adskille dem, dvs. sprede, nanorørene."

Nyudvoksede nanorør kan være tusind gange længere, end de er brede, og selvom sonikering er meget effektiv til at bryde klumper op, det gør også nanorørene kortere. Faktisk, forskere har udviklet en ligning kaldet en "magtlov", der beskriver, hvor dramatisk denne afkortning vil være. Forskere indtaster lydstyrken og den tid, prøven vil blive sonikeret, og magtloven fortæller dem den gennemsnitlige længde af de nanorør, der vil blive produceret. Nanorørene bliver kortere, efterhånden som effekt og eksponeringstid øges.

"Problemet er, at der er to forskellige magtlove, der matcher med separate eksperimentelle resultater, og en af ​​dem giver en længde, der er en del kortere end den anden, " sagde Pasquali. "Det er ikke, at den ene er korrekt, og den anden er forkert. Hver er blevet verificeret eksperimentelt, så det er et spørgsmål om at forstå hvorfor. Philippe Poulin afslørede først denne uoverensstemmelse i litteraturen og gjorde mig opmærksom på problemet, da jeg besøgte hans laboratorium for tre år siden."

For at undersøge denne uoverensstemmelse, Pasquali og studie medforfattere Guido Pagani, Micah Green og Poulin satte sig for nøjagtigt at modellere interaktionerne mellem nanorørene og sonikeringsboblerne. Deres computermodel, som kørte på Rice's Cray XD1 supercomputer, brugt en kombination af fluiddynamiske teknikker til nøjagtigt at simulere interaktionen. Da holdet kørte simuleringerne, de fandt ud af, at længere rør opførte sig meget anderledes end deres kortere modstykker.

"Hvis nanorøret er kort, den ene ende vil blive trukket ned af den kollapsende boble, så nanorøret er justeret mod midten af ​​boblen, " sagde Pasquali. "I dette tilfælde, røret bøjer ikke, men derimod strækker sig. Denne adfærd var tidligere blevet forudsagt, men vi fandt også ud af, at lange nanorør gjorde noget uventet. Modellen viste, hvordan den kollapsende boble trak længere nanorør indad fra midten, bøjer dem og knækker dem som kviste."

Pasquali sagde, at modellen viser, hvordan begge magtlove hver især kan være korrekte:Den ene beskriver en proces, der påvirker længere nanorør, og en anden beskriver en proces, der påvirker kortere.

"Det krævede en vis fleksibilitet at forstå, hvad der skete, " sagde Pasquali. "Men resultatet er, at vi har en meget præcis beskrivelse af, hvad der sker, når nanorør sonikeres."