Film viser, at nanorør bøjes som træge guitarstrenge

Kulstofnanorør, cylindriske molekyler lavet af kulstofatomer, er blandt de stærkeste og stiveste materialer, man kender. Alligevel viser nye film fra laboratoriet af A. John Hart, Morris Eminent Professor of Materials Science and Engineering ved University of Delaware, at nanorør kan bøje sig som træge guitarstrenge.

Filmene er skabelsen af ​​kandidatstuderende Joseph Romano fra højhastighedsvideobilleder taget inde i Harts elektronmikroskop. De dokumenterer for første gang, hvordan formen på et kulstofnanorør ændrer sig, når det bøjes, hvilket giver værdifuld ny information til forskere, der søger at forstå nanorørs adfærd og designe nye materialer baseret på dem.

"Dette er de første realtidsobservationer af bøjningen af ​​individuelle kulstofnanorør," sagde Romano, som præsenterede forskningen for nylig på efterårsmødet i Materials Research Society i Boston. "De åbner en ny vej til at udforske egenskaberne af disse bemærkelsesværdige materialer."

Carbon nanorør er typisk nogle få nanometer i diameter og kan være flere mikrometer lange. Til sammenligning er bredden af ​​et menneskehår omkring 50.000 nanometer. På grund af deres lille størrelse er kulstofnanorør primært blevet undersøgt med atomkraftmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi, som begge giver statiske billeder frem for realtidsvideoer.

Hart og Romano udviklede en ny metode til at optage videobilleder af individuelle kulstofnanorør ved hjælp af et miljøskanningselektronmikroskop (ESEM). ESEM adskiller sig fra et traditionelt scanningelektronmikroskop ved, at det indeholder et lillebitte kammer fyldt med en lavtryksgas, i dette tilfælde vanddamp. Gassen giver tilstrækkelig modstand til elektronstrålen til at forhindre den i at fordampe kulstofnanorørene, hvilket gør det muligt at afbilde dem i realtid.

For at lave en film af et carbon-nanorør, der bøjes, suspenderede Romano et nanorør hen over en lille rende på en siliciumchip og brugte derefter en præcisionsmanipulator til at skubbe på nanorøret. Mens nanorøret bøjede, optog Romano videobilleder af processen.

Filmene afslører, at kulstof nanorør bøjes på en unik måde. Når en guitarstreng plukkes, vibrerer den ved en bestemt frekvens og frembringer en tone. På samme måde, når et carbon nanorør bøjes, vibrerer det med en bestemt frekvens. Frekvensen afhænger af længden og tykkelsen af ​​nanorøret samt den kraft, der påføres det.

Ved at analysere filmene var Romano i stand til at bestemme Youngs modul af kulstofnanorør, et mål for deres stivhed. Youngs modul af kulstofnanorørene, som Romano undersøgte, viste sig at være omkring 1 teraPascal (TPa), hvilket er sammenligneligt med Youngs modul af diamant, det hårdeste materiale, der er kendt.

Filmene giver også ny indsigt i kulstofnanorørs mekaniske egenskaber. For eksempel viser de, at kulstof nanorør kan modstå store mængder bøjning uden at gå i stykker, hvilket indikerer, at de er ekstremt seje.

De nye forskningsresultater forventes at få konsekvenser for design og anvendelse af kulstof nanorør-baserede materialer. For eksempel kunne kulstof nanorør bruges til at lave ultrastærke fibre til brug i lette materialer eller som sensorer, der registrerer tilstedeværelsen af ​​specifikke kemikalier.

"De potentielle anvendelser af kulstof nanorør er enorme," sagde Romano. "Ved at forstå disse materialers mekaniske egenskaber kan vi åbne døren til nye og innovative applikationer."