Nanorør bogstaver stave fremskridt:Team analyserer stivhed af individuelle forgrenings nanorør

Ligeglad med ABC'erne. Forskere fra Rice University interesseret i nanorør studerer deres XYΩ'er.

Carbon nanorør dyrket i en ovn er ikke altid lige. Nogle gange bukker og bukker de, og nogle gange forgrener de sig i flere retninger. Risforskerne indså, at de nu havde værktøjerne til rådighed til at undersøge, hvor hårde disse grene er.

De brugte eksperimenter og simuleringer til at studere stivheden i sammenføjede nanorør og fandt betydelige forskelle, der er defineret af deres former. Det viste sig, at nogle typer er hårdere end andre, og at alle kan have deres anvendelser, hvis og når nanorør bruges til at bygge makroskala strukturer.

Teamet ledet af rismaterialeforsker Pulickel Ajayan og teoretisk fysiker Boris Yakobson navngav deres nanorør til deres former:Jeg for lige nanorør, Y for forgrenet, X for kovalent sammenføjede rør, der krydser, lambda-symbolet (et "V" på hovedet) for nanorør, der forbinder i enhver vinkel, og omega-symbolet (Ω) for ikke-kovalente rør, der binder gennem van der Waals og andre kræfter.

De sagde, at målrettet syntese af dette "nanorøralfabet" kan give materiale til fremtidige nanoskala strukturer med afstembare mekanismer.

Undersøgelsen blev offentliggjort af American Chemical Society's Nano bogstaver .

"Vi havde brug for en slags sprog til at beskrive den specifikke konfiguration af krydsene, så vi tænkte, 'Lad os bruge bogstaver, sagde Evgeni Penev, en medforfatter og forsker i Yakobsons gruppe.

Chandra Sekhar Tiwary, en postdoktor i Ajayan -laboratoriet, støttede nanorørkrydsene med et PicoIndenter, der måler kraft og forskydning i nanonewtons (milliarder af en newton, en kraftenhed) og nanometer. PicoIndenter blev installeret på et scanningselektronmikroskop ved Hysitron, et nanomekanisk produktions- og testfirma til testinstrumenter i Minneapolis.

Nanorør dyrket af Ris -kandidatstuderende Sehmus Ozden blev spredt i en løsning, tørret på silicium og anbragt under mikroskopet, hvor Tiwary scannede dem efter kandidat "breve". Derefter skulle han være sikker på, at disse kandidater var enkelte enheder og ikke kun to separate nanorør. "Rummet mellem rørene kunne være så lidt som 1 nanometer, men mikroskopets opløsning var 5 nanometer, så vi måtte samle den ene side (af nanorørene) for at være sikre på, at de virkelig var svejset, "sagde han." Hvis nanorørene let adskilte, vi gik videre til den næste kandidat. "

Anvendelse af sonden på et bestemt sted på et individuelt nanorør var en test af tålmodighed, Sagde Tiwary. Når en god kandidat dukkede op, han og Hysitrons seniorforsker og medforfatter Sanjit Bhowmick nulstillede på krydset og, over 20 minutter, langsomt påført og frigivet tryk nok til at komprimere det uden at bryde det. "I gamle dage, disse test brugte brutal kraft, men de nye værktøjer er bemærkelsesværdige, "Sagde Tiwary." Vi kunne se, da vi komprimerede nanorørene. "

Blandt de atomisk bundne rør, de fandt X'erne var de stiveste og mest i stand til at hoppe tilbage til næsten deres oprindelige former. Dernæst kom Y'er og derefter lamder med alle vinkler, men alle blev efterladt med buler på grund af nyoprettede forbindelser mellem de indre vægge. Jeg'erne og omegaerne, uden kovalente bindinger, der forbinder dem med andre nanorør, vendte tilbage til deres oprindelige konfigurationer.

Eksperimenterne henvendte sig til kandidatstuderende Yang Yang fra Yakobsons teoretiske gruppe for at hjælpe med at forstå den mekanisme, hvormed nanorørene håndterede stress. Yang skabte atomniveau, tredobbeltvæggede computermodeller af hvert "bogstav" og testede deres styrke med virtuelle sonder.

"I forsøg vi får hvad der sker kvantitativt, men de kan ikke fortælle os, hvad der sker inde i rørene, "Sagde Tiwary." Indtil de foretog beregningerne, vi vidste ikke rigtigt, hvordan carbon nanorørkryds opførte sig. "

Svaret havde at gøre med atomgeometrien ved krydsene. Hvor nanorør slutter sig, kulstofatomer, der normalt kommer sammen i ringer med seks medlemmer, er ofte tvunget til at ændre deres konfigurationer, justering til ringe med fem og syv led (kendt som dislokationer) for at forblive i tilstanden med lavest energi.

Antallet af forskydninger, der kræves for at lave en nanorørgren, er forskellig for hver vinkel. Fordi dislokationerne tager størstedelen af ​​kraften, disse variationer bestemmer den generelle stivhed af nanorørbogstavet, de bestemte.

Tidligere forskning fra Yakobsons gruppe fandt ud af, at mens grafen, atom-tyk, kyllingetrådlignende form af kulstof, er ekstraordinært stærk, det strækker sig ikke særlig godt. Men de nye simuleringer viste også de lokale vægge i nanorørene (som i bund og grund er oprullet grafen) strækker sig nok til at fordele belastning, der påføres krydsene.

Penev foreslog, at nanorørstæpper af bestemte bogstaver kunne have materielle fordele. "Tænk hvis alle nanorørene var på hovedet med" Y "-formerne, "sagde han." Sådan et tæppe ville være meget sværere at knuse under pres. "

Et spørgsmål er nu, om forskere kan dyrke homogene batches af breve. "Kan vi have alle Y'er og justere dem perfekt? Eller kan vi have alle X sammenkoblinger og derefter lave en struktur?" Spurgte Tiwary. ”Det bliver den næste udfordring, men det er bare et spørgsmål om, at folk lægger tid i det. Jeg er optimistisk. "