Vidundermateriale? Ny nanorørstruktur styrker tynde film til fleksibel elektronik

Afspejler strukturen af ​​kompositter fundet i naturen og den antikke verden, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har syntetiseret tynde carbon nanorør (CNT) tekstiler, der udviser både høj elektrisk ledningsevne og et niveau af sejhed, der er omkring halvtreds gange højere end kobberfilm, bruges i øjeblikket inden for elektronik.

"Den strukturelle robusthed af tynde metalfilm har betydelig betydning for pålidelig drift af smart hud og fleksibel elektronik, herunder biologiske og strukturelle sundhedsovervågningssensorer, "forklarede Sameh Tawfick, en assisterende professor i mekanisk videnskab og teknik i Illinois. "Justerede carbon nanorørplader er velegnede til en bred vifte af applikationer, der spænder over mikro- til makroskalaerne, herunder mikroelektromekaniske systemer (MEMS), superkondensatorelektroder, elektriske kabler, kunstige muskler, og multifunktionelle kompositter.

"Så vidt vi ved, dette er den første undersøgelse, der anvender principperne for brudmekanik til at designe og studere sejhed nano-arkitekturerede CNT-tekstiler. Den teoretiske ramme for brudmekanik er vist at være meget robust for en række lineære og ikke-lineære materialer. "

Carbon nanorør, som har eksisteret siden begyndelsen af ​​halvfemserne, er blevet hyldet som et "undermateriale" til talrige nanoteknologiske applikationer, og med rette. Disse små cylindriske strukturer fremstillet af indpakket grafenark har en diameter på et par nanometer - cirka 1000 gange tyndere end et menneskehår, endnu, et enkelt carbon nanorør er stærkere end stål og kulfiber, mere ledende end kobber, og lettere end aluminium.

Imidlertid, det har vist sig virkelig svært at konstruere materialer, f.eks. tekstiler eller film, der viser disse egenskaber på centimeter- eller meterskalaer. Udfordringen stammer fra vanskeligheden ved at samle og væve CNT, da de er så små, og deres geometri er meget svær at kontrollere.

"Undersøgelsen af ​​brudsenergien i CNT -tekstiler fik os til at designe disse ekstremt hårde film, "sagde Yue Liang, en tidligere kandidatstuderende med gruppen Kinetic Materials Research og hovedforfatter af papiret, "Tough Nano-Architectured Conductive Textile Made by Capillary Splicing of Carbon Nanorubes, "vises i Avancerede ingeniørmaterialer . Så vidt vi ved, dette er den første undersøgelse af brudsenergien i CNT -tekstiler.

Begyndende med katalysator afsat på et siliciumoxidsubstrat, lodret justerede carbon nanorør blev syntetiseret via kemisk dampaflejring i form af parallelle linjer med 5 µm bredde, 10 µm længde, og 20-60 µm højder.

"Det forskudte katalysatormønster er inspireret af designet af mursten og mørtel, der sædvanligvis ses i hårde naturmaterialer som knogler, nacre, glashavsvampen, og bambus, "Tilføjede Liang." På udkig efter måder at hæfte CNT'erne sammen på, vi blev inspireret af splejsningsprocessen udviklet af gamle egyptere 5, 000 år siden for at lave hørtekstiler. Vi forsøgte flere mekaniske tilgange, herunder mikrovalsning og enkel mekanisk komprimering for samtidig at orientere nanorørene, derefter, endelig, vi brugte de selvdrevne kapillarkræfter til at hæfte CNT'erne sammen. "

"Dette værk kombinerer omhyggelig syntese, og delikat eksperimentering og modellering, "Tawfick sagde." Fleksibel elektronik udsættes for gentagne bøjninger og strækninger, som kan forårsage deres mekaniske fejl. Dette nye CNT -tekstil, med enkel fleksibel indkapsling i en elastomermatrix, kan bruges i smarte tekstiler, smarte skind, og en række fleksible elektronikker. På grund af deres ekstremt høje sejhed, de repræsenterer et attraktivt materiale, som kan erstatte tynde metalfilm for at forbedre enhedens pålidelighed. "

Ud over Liang og Tawfick, medforfattere inkluderer David Sias og Ping Ju Chen.