Een pijpfitter weet precies hoe hij een metalen staaf moet snijden. Maar het is veel moeilijker om je voor te stellen dat je een precieze snede krijgt in een koolstofnanobuisje. met een diameter van 1/50, 000ste van de dikte van een mensenhaar.

In een artikel dat deze maand is gepubliceerd in het Britse tijdschrift Proceedings van de Royal Society A , onderzoekers van Brown University en in Korea documenteren voor het eerst hoe enkelwandige koolstofnanobuisjes worden gesneden, een bevinding die zou kunnen leiden tot nauwkeurigere, nanobuisjes van hogere kwaliteit. Dergelijke fabricageverbeteringen zouden de nanobuisjes waarschijnlijk aantrekkelijker maken voor gebruik in de automobielindustrie, biologie, elektronica, energie, optica en vele andere gebieden.

"We kunnen nu de snijsnelheid en de diameters die we willen snijden ontwerpen, " zei Kyung-Suk Kim, professor in de techniek aan de School of Engineering in Brown en de corresponderende auteur op het papier.

De basisprincipes van de fabricage van koolstofnanobuisjes zijn bekend. Dunne grafeenplaten met één atoom worden ondergedompeld in een oplossing (meestal water), waardoor ze eruitzien als een bord verwarde spaghetti. De door elkaar gegooide bundel nanobuisjes wordt vervolgens opgeblazen door geluidsgolven met hoge intensiteit die holtes (of gedeeltelijke vacuüms) in de oplossing creëren. De bellen die uit deze holtes ontstaan, zetten uit en vallen zo heftig in elkaar dat de hitte in de kern van elke bel meer dan 5 kan bereiken, 000 graden Kelvin, dicht bij de temperatuur aan het oppervlak van de zon. In de tussentijd, elke bel wordt samengedrukt met een versnelling die 100 miljard keer groter is dan de zwaartekracht. Gezien de geweldige energie die ermee gemoeid is, het is niet verwonderlijk dat de buizen op willekeurige lengtes uitkomen. Technici gebruiken zeven om buizen van de gewenste lengte te krijgen. De techniek is onnauwkeurig, deels omdat niemand zeker wist waardoor de buizen braken.

Materiaalwetenschappers dachten aanvankelijk dat de superhoge temperaturen ervoor zorgden dat de nanobuisjes scheurden. Een groep Duitse onderzoekers stelde voor dat het de sonische boomlets waren die werden veroorzaakt door instortende bellen die de buizen uit elkaar trokken. als een touw dat zo heftig aan elk uiteinde wordt getrokken dat het uiteindelijk scheurt.

Kim, Brown, postdoctoraal onderzoeker Huck Beng Chew, en ingenieurs van het Korea Institute of Science and Technology besloten om verder te onderzoeken. Ze maakten complexe moleculaire dynamica-simulaties met behulp van een reeks supercomputers om te achterhalen waardoor de koolstofnanobuisjes braken. Ze ontdekten dat in plaats van uit elkaar te worden getrokken, zoals de Duitse onderzoekers hadden gedacht, de buizen werden aan beide uiteinden krachtig samengedrukt. Dit veroorzaakte een knik in een gedeelte van ongeveer vijf nanometer langs de buizen, de compressie-concentratiezone. In dat gebied, de buis is gedraaid in afwisselende vouwen van 90 graden, zodat het redelijk op een helix lijkt.

Die ontdekking verklaarde nog steeds niet volledig hoe de buizen worden gesneden. Door meer geautomatiseerde simulaties, de groep ontdekte dat de enorme kracht die werd uitgeoefend door de sonische knallen van de bellen ervoor zorgde dat atomen van de roosterachtige basis van de buis werden geschoten als kogels uit een machinegeweer.

"Het is bijna alsof er een sinaasappel wordt geperst, en de vloeistof schiet er zijwaarts uit, "Zei Kim. "Dit soort breuk door samendrukkende atoomuitstoot is nog nooit eerder waargenomen in welk materiaal dan ook."

Het team bevestigde de geautomatiseerde simulaties door middel van laboratoriumtests met sonicatie en elektronenmicroscopie van enkelwandige koolstofnanobuizen.

De groep ontdekte ook dat het snijden van enkelwandige koolstofnanobuizen met behulp van geluidsgolven in water meerdere knikken veroorzaakt, of gebogen gebieden, langs de lengte van de buizen. De knikken zijn "zeer aantrekkelijke intramoleculaire knooppunten voor het bouwen van elektronica op moleculaire schaal, ’ schreven de onderzoekers.