Carbon nanorør står på opmærksomhed

Ligesom medlemmer af et marcherende band stiller op til en optræden, kulstof nanorør skaber en lignende konfiguration.

Forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) brugte for nylig synkrotron-røntgenspredning til fuldt ud at fange den hierarkiske struktur i selvorganiserede kulstof-nanorørmaterialer fra atom- til mikrometerskalaen. Deres arbejde, for nylig offentliggjort i juninummeret af ACS Nano , er den første til kontinuerligt at kortlægge den strukturelle rækkefølge af nanorørensembler på tværs af fire størrelsesordener i længdeskalaen, alt sammen med en enkelt teknik.

Komplekse hierarkiske strukturer lavet af syntetiske nanocarbon-allotroper såsom nanorør og grafen lover at transformere utallige applikationer i strukturelle kompositter, nanoelektronik, energilagring, filtrering og adskillelse. Ligesom arrangementet af atomer og defekter klassisk styrer et materiales funktion, på lignende måde påvirker rækkefølgen og justeringen af ​​nanoskala byggesten i et større ensemble i høj grad materialets makroskala ydeevne. Mangel på omfattende, flerskala strukturel karakterisering har været en afgørende flaskehals for fremskridt i applikationsmålrettet syntese af hierarkiske nanomaterialer.

"Vi var interesserede i at beskrive hele strukturen af ​​tilpassede kulstof-nanorør-'skove' på tværs af dramatisk forskellige længdeskalaer, som typisk ikke kan gøres med kun én teknik, såsom konventionel mikroskopi eller spektroskopi, " bemærkede Eric Meshot, LLNL videnskabsmand og hovedforfatter på undersøgelsen. "Røntgenspredning er kraftfuld, fordi den adresserbare funktionsstørrelse kan justeres bredt, blot baseret på den indkommende røntgenenergi, og hvor du placerer din detektor for at indsamle de udgående røntgenstråler."

Denne tilgang gjorde det muligt for teammedlemmer at tegne sammenhænge mellem tilstødende længdeskalaer, som afslørede, at pakningstætheden af ​​nanorør i sidste ende påvirker justering på hver længdeskala. Især forskerne skabte ny jord ved at bruge bløde (lavenergi) røntgenstråler til at løse mikroskala strukturelle mønstre, der kan dukke op langs nanorørets vækstretning. Overraskende nok, de fandt ud af, at disse kulstof nanorør materialer kan danne lodrette korrugeringer med høj mikroskala orden på trods af at de har lav nanoskala orden.

Effekten af ​​denne undersøgelse går ud over grundlæggende forståelse af struktur. LLNL-teamet har brugt røntgenspredning som en arbejdshest-evne til at evaluere forholdet mellem struktur og ydeevne i tilpassede kulstof-nanorørmembraner til at bygge åndbart tøj, der beskytter mod biologiske trusler. "Strukturelle egenskaber som porestørrelsesfordeling, poretæthed og snoethed dikterer membrantransportydelse og kan let kvantificeres med røntgenmetoder, " forklarede Francesco Fornasiero, LLNL videnskabsmand og hovedforsker på projektet.

Til dette arbejde, holdet udnyttede et tæt samarbejde med Advanced Light Source (ALS) og Molecular Foundry. "Vi vil gerne se mere af denne type 'krydsbestøvning' mellem DOE-faciliteter, så vores brugere fuldt ud kan udnytte banebrydende strukturel karakterisering ved ALS til at informere om nanostruktursyntese på støberiet, sagde Teyve Kuykendall, en ledende videnskabelig ingeniør ved Molecular Foundry og medforfatter på undersøgelsen.

"Vi er begejstrede for at komme videre for at udforske, hvordan vi kan bruge røntgenspredningsværktøjer til at dechifrere i realtid materialestruktur som en funktion af længdeskalaen, tid og kemi alt sammen, " tilføjede Cheng Wang, en stabsforsker ved ALS og medforfatter på dette arbejde. Denne række af informationer ville være væsentlige for etablering af multiskala struktur-egenskabsrelationer mod applikationsorienteret design og fremstilling.