Forskerhold forvandler nanorør til hårdere kulstof til rumfartøjer, satellitter

Superman kan berømt lave en diamant ved at knuse en luns kul i sin hånd, men Rice University-videnskabsmænd bruger en anden taktik.

Forskere af rismaterialer fremstiller nanodiamanter og andre former for kulstof ved at smadre nanorør mod et mål ved høje hastigheder. Nanodiamanter vil ikke gøre nogen rige, men processen med at fremstille dem vil berige viden hos ingeniører, der designer strukturer, der modstår skader fra højhastighedspåvirkninger.

Diamanterne er resultatet af en detaljeret undersøgelse af ballistisk frakturering af kulstofnanorør ved forskellige hastigheder. Resultaterne viste, at sådanne højenergipåvirkninger fik atombindinger i nanorørene til at bryde og nogle gange rekombinere til forskellige strukturer.

Arbejdet ledet af laboratorierne for materialeforskerne Pulickel Ajayan ved Rice og Douglas Galvao ved State University of Campinas, Brasilien, er beregnet til at hjælpe rumfartsingeniører med at designe ultralette materialer til rumfartøjer og satellitter, der kan modstå stød fra højhastighedsprojektiler som mikrometeoritter.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS anvendte materialer og grænseflader .

At vide, hvordan de atomare bindinger af nanorør kan rekombineres, vil give videnskabsmænd ledetråde til at udvikle letvægtsmaterialer ved at omarrangere disse bindinger, sagde co-lead forfatter og Rice kandidatstuderende Sehmus Ozden.

"Satelitter og rumfartøjer er i fare for forskellige destruktive projektiler, såsom mikrometeoritter og orbitalrester, " sagde Ozden. "For at undgå denne form for ødelæggende skade, vi har brug for letvægt, fleksible materialer med ekstraordinære mekaniske egenskaber. Carbon nanorør kan tilbyde en reel løsning."

Forskerne pakkede flervæggede kulstofnanorør ind i sfæriske pellets og affyrede dem mod et aluminiumsmål i en to-trins letgaspistol ved Rice, og analyserede derefter resultaterne fra påvirkninger ved tre forskellige hastigheder.

Ved hvad forskerne anså for en lav hastighed på 3,9 kilometer i sekundet, et stort antal nanorør viste sig at forblive intakte. Nogle overlevede endda påvirkninger med højere hastigheder på 5,2 kilometer i sekundet. Men meget få blev fundet blandt prøver smadret med en hyperhastighed på 6,9 kilometer i sekundet. Forskerne fandt ud af, at mange, hvis ikke alle, af nanorørene opdelt i nanobånd, bekræfter tidligere eksperimenter.

Medforfatter Chandra Sekhar Tiwary, en Rice postdoc forsker, bemærkede, at de få nanorør og nanobånd, der overlevede sammenstødet, ofte var svejset sammen, som observeret i transmissionselektronmikroskopbilleder.

"I vores tidligere rapport, vi viste, at kulstof nanorør danner grafen nanobånd ved hyperhastighedspåvirkning, " sagde Tiwary. "Vi forventede at få svejste kulstof nanostrukturer, men vi var overraskede over også at observere nanodiamant."

Orienteringen af ​​nanorør både i forhold til hinanden og i forhold til målet og antallet af rørvægge var lige så vigtige for de endelige strukturer som hastigheden, sagde Ajayan.

"Det nuværende arbejde åbner en ny måde at fremstille materialer i nanostørrelse ved hjælp af højhastighedspåvirkning, " sagde medforfatter Leonardo Machado fra Brasiliens team.