ANN ARBOOR, Mich. --- Draaiende torens, concentrische ringen, en sierlijk buigende bloembladen zijn enkele van de nieuwe driedimensionale vormen die ingenieurs van de Universiteit van Michigan kunnen maken van koolstofnanobuisjes met behulp van een nieuw productieproces.

Het proces wordt "capillaire vorming, " en het profiteert van capillaire werking, het fenomeen dat aan het werk is wanneer vloeistoffen de zwaartekracht lijken te trotseren en vanzelf een rietje omhoog gaan.

De nieuwe miniatuurvormen, die moeilijk, zo niet onmogelijk te bouwen zijn met welk materiaal dan ook, het potentieel hebben om de uitzonderlijke mechanische, thermisch, elektrisch, en chemische eigenschappen van koolstofnanobuisjes op een schaalbare manier, zei A. John Hart, een universitair docent bij de faculteit Werktuigbouwkunde en bij de School of Art &Design.

Ze kunnen leiden tot sondes die kunnen communiceren met individuele cellen en weefsels, nieuwe microfluïdische apparaten, en nieuwe materialen met een op maat gemaakte patchwork van oppervlaktestructuren en eigenschappen.

Een paper over het onderzoek is gepubliceerd in de oktobereditie van Geavanceerde materialen , en staat op de omslag.

"Het is gemakkelijk om koolstofnanobuisjes recht en verticaal te maken, zoals gebouwen, "Zei Hart. "Het is niet mogelijk geweest om ze in complexere vormen te maken. Het assembleren van nanostructuren tot driedimensionale vormen is een van de belangrijkste doelen van nanotechnologie. De methode van capillaire vorming zou kunnen worden toegepast op vele soorten nanobuisjes en nanodraden, en de schaalbaarheid is zeer aantrekkelijk voor productie."

De methode van Hart begint met het stempelen van patronen op een siliciumwafel. Zijn inkt is in dit geval de ijzerkatalysator die de verticale groei van de koolstofnanobuisjes in de patroonvormen mogelijk maakt. In plaats van een traditioneel stempel uniform raster van cirkels, Hart stempel holle cirkels, halve cirkels en cirkels met kleinere uit hun middelpunten gesneden. De vormen zijn gerangschikt in verschillende oriëntaties en groeperingen. Een dergelijke groepering is een vijfhoek van halve cirkels met hun platte zijden naar buiten gericht.

Hij gebruikt het traditionele "chemical vapour deposition"-proces om de nanobuisjes in de voorgeschreven patronen te laten groeien. Dan hangt hij de siliciumwafel met zijn nanobuisjesbos boven een beker kokend oplosmiddel, zoals aceton. Hij laat de aceton condenseren op de nanobuisjes, en laat dan de aceton verdampen.

Terwijl de vloeistof condenseert, capillaire actiekrachten treden in werking en transformeren de verticale nanobuisjes in de ingewikkelde driedimensionale structuren. Bijvoorbeeld, hoge halve cilinders van nanobuisjes buigen naar achteren om een ​​vorm te vormen die lijkt op een driedimensionale bloem.

"We programmeren de vorming van 3D-vormen met deze 2D-patronen, Hart zei. "We hebben ontdekt dat de beginvorm van invloed is op hoe de capillaire krachten de geometrie van de structuren veranderen. Sommige buigen, anderen draaien, en we kunnen ze combineren zoals we willen."

Het capillaire vormingsproces stelt de onderzoekers in staat om grote hoeveelheden 3D-microstructuren te creëren --- allemaal veel kleiner dan een kubieke millimeter --- over in wezen onbeperkte gebieden, zei Hart. In aanvulling, de onderzoekers laten zien dat hun 3D-structuren tot 10 keer stijver zijn dan typische polymeren die in microfabricage worden gebruikt. Dus, ze kunnen worden gebruikt als mallen voor het vervaardigen van dezelfde 3D-vormen in andere materialen.

"We denken dat dit het idee opent om aangepaste nanogestructureerde oppervlakken en materialen te maken met lokaal variërende geometrieën en eigenschappen, "Zei Hart. "Nu, we denken dat materialen overal dezelfde eigenschappen hebben, maar met deze nieuwe techniek kunnen we dromen om samen de structuur en eigenschappen van een materiaal te ontwerpen."