Trækstyrke af kulstof nanorør afhænger af deres chirale strukturer

Enkeltvæggede kulstof nanorør skulle teoretisk set være ekstremt stærke, men det er stadig uklart, hvorfor deres eksperimentelle trækstyrker er lavere og varierer mellem nanorør. Et team på Nagoya University, Kyoto Universitet, og Aichi Institute of Technology målte direkte trækstyrkerne af individuelle strukturdefinerede enkeltvæggede kulstofnanorør, afsløre nøgleindsigt i forholdet mellem deres struktur og styrke.

Carbon nanorør er blevet forudsagt som spilskiftende strukturelle materialer på grund af deres enestående teoretiske styrke pr. vægt (fig. 1a). De har endda opfordret til opførelsen af ​​en rumelevator, hvilket er umuligt ved brug af andre eksisterende materialer.

Carbon nanorør har en række forskellige strukturer med forskellige kulstofatomer. Afhængigt af antallet af koncentriske lag, kulstof nanorør er klassificeret som enkeltvæggede eller flervæggede nanorør (fig. 1b). Derudover strukturer af de koncentriske lag er specificeret ved diameter og chiral vinkel (fig. 1c) eller et par heltal (n, m) kendt som chirale indekser.

På grund af vanskeligheden ved den selektive syntese af enkeltstruktur nanorør, de systematiske undersøgelser af deres mekaniske egenskaber kræver strukturbestemmelsen af ​​hvert prøvenanorør. Imidlertid, på grund af deres nanoskala størrelse og vanskeligheder med at håndtere dem, træktesten af ​​"strukturdefinerede" enkeltvæggede kulstofnanorør er endnu ikke opnået. De tidligere undersøgelser har vist, at trækstyrken af ​​ægte kulstofnanorør, inklusive flervæggede og strukturudefinerede enkeltvæggede kulstofnanorør, er typisk lavere end det ideelle tilfælde. Desuden, styrke varierede betydeligt blandt de målte prøver.

Denne spredning udgør et kritisk problem med hensyn til deres praktiske anvendelse i makroskopiske strukturelle materialer såsom garn sammensat af mange kulstof nanorør, fordi deres brud vil blive initieret fra de svageste nanorør. Manglen på en systematisk eksperimentel undersøgelse af strukturafhængigheden har længe sløret brudmekanismen af ​​rigtige kulstofnanorør, og, derfor, har hindret udviklingen af ​​et makroskopisk strukturmateriale med et ideelt styrke-til-vægt-forhold.

Et team af fysikere, kemikere, og mekaniske ingeniører designede de eksperimentelle skemaer til trækprøvning af strukturdefinerede enkeltvæggede kulstofnanorør (herefter:kaldet nanorør). Individuelle nanorør blev syntetiseret over en åben spalte i mikrometerskala via omgivende alkoholkemiske dampaflejringsmetoder (fig. 2a). Bredbånds-rayleigh-spredningsspektroskopi blev anvendt til at bestemme nanorørstrukturerne (fig. 2b). Derefter, de individuelle strukturdefinerede nanorør blev samlet op med en mikrogaffel (fig. 2c), og overført til en hjemmelavet mikroelektromekanisk system (MEMS) enhed (fig. 2d). Hvert individuelt nanorør blev ophængt og holdt mellem et par prøvetrin, der var forbundet til en mikrovejecelle og aktuator til direkte kraftmåling og enakset trækkraftpåføring, henholdsvis (fig. 2d). Figur 2e viser et billede i det øjeblik, hvor nanorøret brækkede under trækbelastning. Kraften blev direkte evalueret ud fra den målte forskydning af vejecelletrinnet udstyret med mikrofjedre i henhold til Hookes lov.

Holdet lykkedes med at måle trækstyrkerne af 16 strukturdefinerede nanorørarter. Figur 3a opsummerer strukturafhængigheden af ​​de målte ultimative træk-nanorørstyrker. Styrkerne er tilsyneladende afhængige af både den chirale vinkel (fig. 3b) og diameter (fig. 3c) af nanorørene.

Holdet fandt det klare forhold mellem styrker og strukturer ved at overveje retninger af kulstof-kulstofbindinger mod retningen af ​​trækbelastningen og spændingskoncentrationen ved strukturelle defekter. Desuden, holdet udviklede en empirisk formel til at forudsige de virkelige nanorørs styrker. Denne empiriske formel giver de mest gunstige nanorørstrukturer, der bør syntetiseres selektivt mod det stærkeste materiale (toppen af ​​indholdet). Heldigvis, de foreslåede typer af nanorørstrukturer er ikke godt begrænset. Selvom der stadig er en række alvorlige problemer, herunder strukturselektiv syntese af fejlfrie nanorør, væksten af ​​lange nanorør, og laver reb, der holder deres styrke, denne opdagelse giver en af ​​de grundlæggende indsigter til udvikling af superstærke og ultralette materialer til brug i konstruktionen af ​​det sikreste og mest brændstofeffektive transportudstyr eller massive arkitektoniske strukturer.