Forskere skaber forudsigelige mønstre ud fra uforudsigelige carbon nanorør

Integrering af nanoskala fibre, såsom carbon nanorør (CNT'er) i kommercielle applikationer, fra belægninger til flyvinger til kølelegemer til mobil computing, kræver, at de produceres i stor skala og til lave omkostninger. Kemisk dampaflejring (CVD) er en lovende tilgang til fremstilling af CNT i de nødvendige skalaer, men det producerer CNT'er, der er for sparsomme og kompatible til de fleste applikationer.

Påføring og fordampning af et par dråber væske, såsom acetone, til CNT'erne er let, omkostningseffektiv metode til tættere at pakke dem sammen og øge deres stivhed, men indtil nu, der var ingen måde at forudsige geometrien af ​​disse CNT -celler.

MIT-forskere har nu udviklet en systematisk metode til at forudsige de todimensionale mønstre, CNT-arrays danner, efter at de er pakket sammen, eller fortætning, ved at fordampe dråber af enten acetone eller ethanol. CNT -cellestørrelse og vægstivhed vokser proportionalt med cellehøjde, rapporterer de i 14. februar -udgaven af Fysisk kemi Kemisk fysik .

En måde at tænke på denne CNT -adfærd på er at forestille sig, hvordan sammenfiltrede fibre som vådt hår eller spaghetti kollektivt forstærker hinanden. Jo større denne sammenfiltrede region er, jo højere vil modstanden mod bøjning være. Tilsvarende længere CNT'er kan bedre forstærke hinanden i en cellevæg. Forskerne finder også, at CNT -bindingsstyrke til basen, hvorpå de produceres, I dette tilfælde, silicium, yder et vigtigt bidrag til at forudsige de cellulære mønstre, som disse CNT'er vil danne.

"Disse resultater er direkte gældende for industrien, fordi når du bruger CVD, du får nanorør, der har krumning, tilfældighed, og er bølget, og der er et stort behov for en metode, der let kan afhjælpe disse fejl uden at bryde banken, "siger Itai Stein SM '13, Ph.d. '16, som er postdoc i Institut for Luftfart og Astronautik. Medforfattere omfatter materialevidenskab og ingeniørstuderende Ashley Kaiser, maskinteknik postdoc Kehang Cui, og seniorforfatter Brian Wardle, professor i luftfart og astronautik.

"Fra vores tidligere arbejde med justerede carbon nanorør og deres kompositter, vi lærte, at tættere pakning af CNT'erne er en yderst effektiv måde at konstruere deres egenskaber på, "siger Wardle." Den udfordrende del er at udvikle en let måde at gøre dette på skalaer, der er relevante for kommercielle fly (hundredvis af meter), og de forudsigelsesmuligheder, vi udviklede her, er et stort skridt i den retning. "

Detaljerede målinger

Carbon nanorør er meget ønskelige på grund af deres termiske, elektrisk, og mekaniske egenskaber, som er retningsafhængige. Tidligere arbejde i Wardles laboratorium viste, at bølger reducerer stivheden i CNT -arrays med så lidt som 100 gange, og op til 100, 000 gange. Det tekniske udtryk for denne stivhed, eller evnen til at bøje uden at bryde, er elastisk modul. Carbon nanorør er fra 1, 000 til 10, 000 gange længere end de er tykke, så de deformeres hovedsageligt langs deres længde.

Til et tidligere papir udgivet i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , Stein og kolleger brugte nanoindentationsteknikker til at måle stivhed af justerede carbon nanorørarrays og fandt deres stivhed til at være 1/1, 000 til 1/10, 000 gange mindre end den teoretiske stivhed af individuelle carbon nanorør. Stein, Wardle, og tidligere besøgende MIT -kandidatstuderende Hülya Cebeci udviklede også en teoretisk model, der forklarer ændringer ved forskellige pakningstætheder i nanofibrene.

Det nye arbejde viser, at CNT'er komprimeres af kapillarkræfterne fra først at væde dem med acetone eller ethanol og derefter fordampe væsken, også producerer CNT'er, der er hundreder til tusinder af gange mindre stive end forventet af teoretiske værdier. Denne kapillær effekt, kendt som elastocapillarity, ligner en hvordan en svamp ofte tørrer i en mere kompakt form efter at være blevet fugtet og derefter tørret.

"Vores resultater peger alle på det faktum, at CNT -vægmodulet er meget lavere end den normalt antagne værdi for perfekte CNT'er, fordi de underliggende CNT'er ikke er lige, "siger Stein." Vores beregninger viser, at CNT -væggen er mindst to størrelsesordener mindre stiv, end vi forventer for lige CNT'er, så vi kan konkludere, at CNT'erne skal være bølget. "

Varme tilføjer styrke

Forskerne brugte en opvarmningsteknik til at øge vedhæftningen af ​​deres originale, uensificerede CNT -arrays til deres siliciumskiveunderlag. CNT'er fortættet efter varmebehandling var cirka fire gange sværere at adskille fra siliciumbasen end ubehandlede CNT'er. Kaiser og Stein, der deler det første forfatterskab af papiret, udvikler i øjeblikket en analytisk model til at beskrive dette fænomen og justere vedhæftningskraften, hvilket yderligere ville muliggøre forudsigelse og kontrol af sådanne strukturer.

"Mange anvendelser af lodret justerede carbon nanorør [VACNTs], såsom elektriske forbindelser, kræver meget tættere arrays af nanorør end det, der typisk opnås for VACNT'er, der vokser, syntetiseret ved kemisk dampaflejring, "siger Mostafa Bedewy, adjunkt ved University of Pittsburgh, som ikke var involveret i dette arbejde. "Derfor, metoder til fortætning efter vækst, såsom dem, der er baseret på udnyttelse af elastokapillaritet, har tidligere vist sig at skabe interessante tætte CNT -strukturer. Imidlertid, der er stadig behov for en bedre kvantitativ forståelse af de faktorer, der styrer celledannelse i tætte store arealarrays af VACNT'er. Den nye undersøgelse af forfatterne bidrager til at imødekomme dette behov ved at levere eksperimentelle resultater, kombineret med modelleringsindsigt, korrelerende parametre, såsom VACNT-højde og VACNT-substratadhæsion til den resulterende cellulære morfologi efter fortætning.

"Der er stadig spørgsmål om, hvordan den rumlige variation af CNT -tæthed, tortuosity [twist], og diameterfordeling over VACNT -højden påvirker kapillærfortætningsprocessen, især da lodrette gradienter af disse funktioner kan være forskellige, når man sammenligner to VACNT -arrays med forskellige højder, "siger Bedewy." Yderligere arbejde med at inkorporere rumlig kortlægning af intern VACNT -morfologi ville være oplysende, selvom det vil være udfordrende, da det kræver at kombinere en række karakteriseringsteknikker. "

Maleriske mønstre

Kaiser, som var 2016 MIT Summer Scholar, analyseret de tætte CNT-arrays med scanningelektronmikroskopi (SEM) i MIT Materials Research Laboratory's NSF-MRSEC-understøttede delte eksperimentelle faciliteter. Mens forsigtigt påføring af væske på CNT -arrays i denne undersøgelse fik dem til at fortætte til forudsigelige celler, kraftig nedsænkning af CNT'erne i væske giver dem meget stærkere kræfter, danner tilfældigt formede CNT -netværk. "Da vi først begyndte at undersøge fortætningsmetoder, Jeg fandt ud af, at denne kraftige teknik fortykkede vores CNT -arrays til meget uforudsigelige og interessante mønstre, "siger Kaiser." Set optisk og via SEM, disse mønstre lignede ofte dyr, ansigter, og endda et hjerte - det var lidt som at søge efter figurer i skyerne. "En farvet version af hendes optiske billede, der viser et CNT -hjerte, findes på forsiden af ​​den trykte udgave af 14. februar Fysisk kemi Kemisk fysik .

"Jeg tror, ​​at der er en underliggende skønhed i denne nanofiber selvsamling og fortætningsproces, ud over de praktiske anvendelser, "Tilføjer Kaiser." CNT'erne fortætter så let og hurtigt til mønstre efter blot at være blevet våde af en væske. At være i stand til præcist at kvantificere denne adfærd er spændende, da det kan muliggøre design og fremstilling af skalerbare nanomaterialer. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.