Team kortlægger distributionen af ​​kulstof nanorør i kompositmaterialer

På trods af deres lille størrelse og enkle struktur, kulstof nanorør - i det væsentlige plader af grafen rullet op til sugerør - har alle mulige potentielt nyttige egenskaber. Stadig, mens deres løfte er stort, hvordan man fuldt ud kan realisere det løfte har vist sig at være noget af et mysterium.

I et forsøg på at fjerne noget af det mysterium, forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), Massachusetts Institute of Technology og University of Maryland har udviklet banebrydende billedindsamlings- og behandlingsteknikker til at kortlægge nanoskalastrukturen af ​​kulstofnanorør inde i et kompositmateriale i 3-D. Præcis hvordan nanorørene er fordelt og arrangeret i materialet spiller en vigtig rolle for dets overordnede egenskaber. De nye data vil hjælpe forskere, der studerer kompositmaterialer til at bygge og teste realistiske computermodeller af materialer med en bred vifte af termiske, elektriske, og mekaniske funktioner.

Deres forskning blev omtalt i ACS Nano .

Kulfiberkompositter er typisk værdsat for deres høje styrke og lave vægt, og carbon nanorør (CNT) kompositter (eller nanokompositter), som har flere og mindre kulfilamenter, vise løfte om høj styrke samt andre egenskaber såsom evnen til at lede varme og elektricitet.

Imidlertid, ifølge NIST's Alex Liddle, en forfatter om undersøgelsen, mens forskere tidligere kunne måle en nanokomposits bulkegenskaber pålideligt, de vidste ikke præcis, hvorfor forskellige formuleringer af kompositten havde forskellige egenskaber.

"At finde ud af, hvorfor disse materialer har de egenskaber, de har, kræver en detaljeret, kvantitativ forståelse af deres komplekse 3D-struktur, " siger Liddle. "Vi skal ikke kun kende koncentrationen af ​​nanorør, men også deres form og position, og relatere det til materialets egenskaber."

At se arrangementet af kulstofnanorør i et kompositmateriale er svært, selvom, fordi de er omgivet af en epoxyharpiks, som også for det meste er kulstofatomer. Selv med sofistikerede prober er kontrasten for lav til, at software-billedprocessorer nemt kan udvælge dem.

I sådanne forskningssituationer, du henvender dig til kandidatstuderende og postdocs som NISTs Bharath Natarajan, fordi mennesker generelt laver fantastiske billedprocessorer. Men at markere tusindvis af kulstof-nanorør i et billede er meget kedeligt, så Natarajan designede en billedbehandlingsalgoritme, der så godt han kan skelne CNT'er fra en epoxyharpiks. Det gav pote.

Ifølge Liddle, en CNT udtrykker sit fulde potentiale i styrke og termisk og elektrisk ledningsevne, når den er strakt ud og lige, men …

"Når CNT'er er suspenderet i en epoxyharpiks, de breder sig, bundt og vrid i forskellige former, " siger Liddle. "Vores analyse afslørede, at fordelene ved CNT'er stiger på en ikke-lineær måde, når deres koncentration stiger. Efterhånden som koncentrationen stiger, CNT'erne kommer i kontakt, øge antallet af vejkryds, hvilket øger deres elektriske og termiske ledningsevne, og den fysiske kontakt får dem til at tilpasse sig hinanden, som retter dem op, øge materialets styrke."

Det faktum, at øget koncentration af CNT'er forbedrer egenskaberne, er ikke særlig overraskende, men nu ved forskerne, hvordan dette påvirker materialernes egenskaber, og hvorfor tidligere modeller af nanokompositmaterialers ydeevne aldrig helt matchede, hvordan de klarede sig i praksis.

"Vi har egentlig kun set toppen af ​​isbjerget med hensyn til denne klasse af materiale, " siger Liddle. "Der er alle mulige måder, andre forskere kan skære og skære dataene på for at modellere og til sidst fremstille optimale materialer til termisk styring, mekanisk forstærkning, energilagring, narkotikatransport og andre anvendelser."