Forskere modellerer grafen/nanorør-hybrider for at teste egenskaber

Rice University-forskere opdagede, at anbringelse af nanorørsøjler mellem plader af grafen kunne skabe hybride strukturer med en unik styrkebalance, sejhed og duktilitet i alle tre dimensioner.

Carbon nanomaterialer er almindelige nu som flade plader, nanorør og kugler, og de bliver brugt som byggesten i hybridstrukturer med unikke egenskaber for elektronik, varmetransport og styrke. Rice-teamet lægger et teoretisk grundlag for sådanne strukturer ved at analysere, hvordan blokkenes krydsninger påvirker egenskaberne af de ønskede materialer.

Rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari og alumnus Navid Sakhavand beregnede, hvordan forskellige links, især mellem kulstof nanorør og grafen, ville påvirke den endelige hybrids egenskaber i alle retninger. De fandt ud af, at introduktion af kryds ville tilføje ekstra fleksibilitet og samtidig bevare næsten samme styrke sammenlignet med materialer lavet af lagdelt grafen.

Deres resultater vises i denne uge i journalen Kulstof .

Carbon nanorør er sammenrullede arrays af perfekte sekskanter af atomer; grafen er et udrullet ark af samme. Begge er superstærke og udmærker sig ved at transmittere elektroner og varme. Men når de to er forenet, måden atomerne er arrangeret på kan påvirke alle disse egenskaber.

"Nogle laboratorier forsøger aktivt at fremstille disse materialer eller måle egenskaber som styrken af ​​enkelte nanorør og grafenplader, "Shahsavari sagde. "Men vi ønsker at se, hvad der sker og kvantitativt forudsige egenskaberne af hybride versioner af grafen og nanorør. Disse hybridstrukturer giver nye egenskaber og funktionalitet, der er fraværende i deres overordnede strukturer - grafen og nanorør."

Til det formål, laboratoriet samlede tredimensionelle computermodeller af "søjlegrafen nanostrukturer, "beslægtet med bor-nitrid-strukturerne modelleret i en tidligere undersøgelse for at analysere varmeoverførsel mellem lag.

"Denne gang var vi interesserede i en omfattende forståelse af de elastiske og uelastiske egenskaber af 3-D kulstofmaterialer for at teste deres mekaniske styrke og deformationsmekanismer, "Shahsavari sagde. "Vi sammenlignede vores 3-D hybrid strukturer med egenskaberne af 2-D stablede grafen ark og 1-D carbon nanorør."

Lagdelte ark af grafen holder deres egenskaber i plan, men udviser ringe stivhed eller termisk ledningsevne fra ark til ark, han sagde. Men modeller af søjlegrafen viste langt bedre styrke og stivhed og en 42 procent forbedring i duktilitet uden for planet, evnen til at deformere sig under stress uden at gå i stykker. Sidstnævnte tillader søjlegrafen at udvise bemærkelsesværdig sejhed langs retninger uden for planet, en funktion, der ikke er mulig i 2-D stablede grafenark eller 1-D carbon nanorør, sagde Shahsavari.

Forskerne beregnede, hvordan atomernes iboende energier tvinger sekskanter til at tage på eller miste atomer til naboringe, afhængig af hvordan de går sammen med deres naboer. Ved at tvinge fem, syv eller endda otte-atom ringe, de fandt ud af, at de kunne få en vis kontrol over hybridens mekaniske egenskaber. At dreje nanorørene på en måde, der fremtvang rynker i grafenarkene, tilføjede yderligere fleksibilitet og forskydningsoverholdelse, sagde Shahsavari.

Da materialet brød, forskerne fandt det langt mere sandsynligt, at dette ville ske ved ringene med otte medlemmer, hvor meget af belastningen samler sig, når man er stresset. Det fører til den opfattelse, at hybriderne kan indstilles til at fejle under særlige omstændigheder.

"Dette er første gang nogen har skabt en så omfattende atomistisk 'linse' for at se på de kryds-medierede egenskaber af 3-D kulstof nanomaterialer, "Shahsavari sagde. "Vi mener, at principperne kan anvendes på andre lavdimensionelle materialer såsom bornitrid og molybdæn/wolfram eller kombinationer deraf."

Shahsavari er assisterende professor i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice.