(PhysOrg.com) -- Arthur trok een zwaard uit een steen, bewijzen aan een koninkrijk dat recht verslaat macht. Onderzoekers van Rice University maken hetzelfde punt op het gebied van nanoschaal.

In dit geval, het zwaard is een meerwandige koolstofnanobuis en de steen is een kraal van epoxy.

Precies weten hoeveel kracht er nodig is om de nanobuis uit de kraal te trekken, is essentieel voor materiaalwetenschappers om de kunst van het sterker maken te bevorderen, lichtere composieten voor alles, van sportartikelen tot ruimtevaartuigen.

Een team onder leiding van Jun Lou, een assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Rice, en eerste auteur Yogeeswaran Ganesan, die onlangs promoveerde in Lou's lab, heeft een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Applied Materials and Interfaces van de American Chemical Society waarin het zijn werk beschrijft om de taaiheid van het grensvlak van met koolstof nanobuisjes versterkte epoxycomposieten te meten.

Lou, Ganesan en hun collega's hebben een tweede nieuwe paper binnen ACS Nano over het gebruik van dezelfde techniek om het effect van stikstofdoping op de mechanische eigenschappen van koolstofnanobuisjes te meten.

Nanobuisjes vinden hun weg naar producten omdat fabrikanten vertrouwen op hun reputatie van sterkte en lichtheid. Men kan honkbalknuppels kopen, tennisrackets en dure fietsen versterkt met nanobuisjes.

"Koolstofnanobuisjes zijn zo klein (een haarlok is 50, 000 keer breder) dat om ze op menselijke schaal te gebruiken, je moet iets doen om ze groter te maken, ' zei Lou.

Een van die manieren is om ze te mengen tot composieten, een onvolmaakte wetenschap die veel vallen en opstaan ​​met zich meebrengt, aangezien de mogelijke sterkte van het grensvlak tussen elk type nanobuis en elk type basismateriaal niet goed wordt begrepen. Lou en zijn team zijn van plan om het giswerk te elimineren met een manier om belangrijke eigenschappen van een composiet te meten voordat de eerste batch wordt gemengd.

"Je wilt niet veel tijd en geld besteden aan een chique chemische behandeling zonder te weten wat er gebeurt op de kritische interface, ' zei Lou.

Sinds de begindagen van de composietproductie worden uittrektests met één vezel gebruikt om niet alleen de sterkte van een verbinding te meten, maar ook wanneer, waarom en hoe het zal breken. Dat is moeilijk op nanoschaal. Anderen hebben atomic force microscopen gebruikt als onderdeel van het trekmechanisme, maar de methode heeft zijn beperkingen, zei Lou.

Het Rice-team heeft een beter apparaat gebouwd:een veerbelaste, push-pull micromechanische assemblage op een siliciumchip waarmee onderzoekers een meerwandige nanobuis aan de ene kant aan een deken van epoxy kunnen rijgen, terwijl de andere stevig op zijn plaats wordt gehouden met een platina-anker. Door op de veer te drukken, wordt aan beide zijden evenveel kracht uitgeoefend, waardoor onderzoekers kunnen zien hoeveel er nodig is om de buis uit de epoxy te trekken.

Het team meldde in het eerste artikel dat het binden van meerwandige nanobuisjes aan een universele epoxy genaamd Epon 828 eigenlijk zwakker was dan ze hadden verwacht. "We beginnen te begrijpen dat het toevoegen van nanobuisjes aan bulkmateriaal niet altijd betere eigenschappen geeft, "Zei Lou. "Je moet heel voorzichtig zijn met hoe je ze toevoegt en wat voor soort interface ze vormen."

Omdat batches nanobuisjes de neiging hebben om aan elkaar te kleven, sommige fabrikanten functionaliseren hun oppervlakken om ze te verspreiden voordat ze in een materiaal worden gemengd. "Maar dat kan de buitenmuur verstoren, en dat is een slechte zaak, " zei Lou. "Als je iets doet om nanobuisjes gemakkelijk dispergeerbaar te maken, maar hun intrinsieke sterkte vermindert, je schiet jezelf in de voet."

Anderzijds, hij zei, "Als fabrikanten een sterk materiaal nodig hebben dat energie absorbeert zonder te breken, een zwakkere interface is misschien geen slechte zaak. Tijdens dit uittrekproces, er is veel wrijving op het grensvlak van de nanobuis en de matrix, en wrijving is in feite een manier om energie te verdrijven."

Soms is het eindproduct beter als het nanobuisje uitrekt voordat het breekt. In de ACS Nano-paper, het team vergeleek de treksterkte van ongerepte versus met stikstof gedoteerde meerwandige koolstofnanobuizen. Ze ontdekten dat de ongerepte buizen de neiging hebben om op een broze manier te breken, terwijl met stikstof gedoteerde buizen tekenen van plasticiteit vertonen - "insnoering" voordat ze breken.

Dat kan voor bepaalde materialen wenselijk zijn, zei Lou. "Je bouwt geen brug uit keramiek. Je bouwt hem uit staal vanwege zijn plasticiteit.

"Als we een nanobuiscomposiet kunnen ontwikkelen met plasticiteit bij kamertemperatuur, het wordt fantastisch, "zei hij. "Het zal velen vinden, veel gebruik."

Lou zei dat de veelzijdige techniek van Rice voor het uitvoeren van nanomechanische experimenten klaar is om veel lang gezochte antwoorden te vinden. "Het ontwikkelen van het vermogen om nanocomposieten te construeren met mechanische eigenschappen die zijn afgestemd op specifieke toepassingen, is de spreekwoordelijke heilige graal van al het structurele nanocomposietonderzoek, " Ganesan zei. "De techniek brengt ons in wezen een stap dichter bij het bereiken van dit doel."