Een team van drie hoogleraren werktuigbouwkunde van de Universiteit van Delaware, plus onderzoekers van drie andere academische instellingen, werken samen om driedimensionale (3D) koolstof nanobuisstructuren te ontwikkelen.

Zowel licht als sterk, koolstofnanobuizen (CNT's) worden beschouwd als een revolutionair materiaal met veel nuttige toepassingen vanwege hun unieke vorm en uitstekende mechanische, elektrische en thermische eigenschappen. In de afgelopen 20 jaar, onderzoekers hebben het gebruik ervan in geavanceerde elektronica onderzocht, optica en structurele materialen zoals composieten.

Hoewel veel wetenschappers koolstofnanomaterialen in een- en tweedimensionale vormen hebben bestudeerd voor CNT's en grafeen, respectievelijk, dit is de eerste poging om vaste netwerken van 3D koolstof nanobuisjes te creëren en te gebruiken.

Onder leiding van Rice University, de subsidie ​​van $ 7,5 miljoen van het ministerie van Defensie (DOD) wordt gefinancierd via het Multidisciplinair Universitair Onderzoeksinitiatief (MURI). Het project omvat teams van onderzoekers van UD, Pennsylvania State University en de Universiteit van Texas, Dallas.

Jonghwan Suhr, universitair docent werktuigbouwkunde, is de hoofdonderzoeker van UD op het project. Hoogleraren Bingqing Wei en X. Lucas Lu zijn de belangrijkste onderzoekers. Andere partners in het onderzoek zijn Boeing, het Wright Patterson Air Force Research Laboratory en het Army Research Laboratory.

Elk lid van het UD-team brengt unieke kennis in het project. De expertise van Suhr ligt in nanocomposieten en composietstructuren, terwijl Lu's kennis in de biomechanica ligt. Wei is gespecialiseerd in de synthese van nanomaterialen en energieopslag. De totale financiering aan UD is $ 1 miljoen over vijf jaar.

“Om koolstofnanobuistechnologie toe te passen in macroscopische of grootschalige toepassingen, we moeten eerst een robuust, structureel correcte 3D koolstofnanobuis, ’ legt Suhr uit.

Terwijl uitdagend, hij gelooft dat een 3D-architectuur CNT's veelzijdiger zal maken en kan leiden tot nieuwe toepassingen in lichtgewicht structurele materialen, energieopslag en warmtebeheer.

Een belangrijk probleem dat hun vooruitgang belemmert, is het gezamenlijk falen. CNT's zijn gemaakt van een ingewikkelde opstelling van synthetische koolstofatomen die door gewrichten zijn verbonden. De overgang van een een- of tweedimensionale architectuur naar een driedimensionale architectuur is fundamenteel moeilijk omdat onderzoekers knooppunten op atomaire schaal of verbindingen tussen afzonderlijke nanoschaalelementen moeten introduceren, zodat ze kunnen worden georganiseerd in een sterk 3D-netwerk.

Suhr en zijn UD-collega's zijn van plan deze beperking te overwinnen met behulp van nieuwe synthesetechnieken voor nanomaterialen en het evalueren van het nieuwe 3D-nanomateriaal met behulp van biomechanica-theorieën die doorgaans worden toegepast op kraakbeen of bot.

“Driedimensionale koolstofnanobuisjes zijn poreus en visco-elastisch, vergelijkbaar met menselijk weefsel. Terwijl menselijk weefsel een combinatie is van weefsel en vloeistof, koolstofnanobuisjes zijn een combinatie van structureel materiaal en lucht, ’ zegt Lu.

Eenmaal gemaakt, het UD-team zal de elektromechanische respons van de nanobuis bestuderen met behulp van akoestische emissies, geluidsgolven gemaakt door de structuur, om de sterkte van de driedimensionale architectuur te testen. Na te hebben vastgesteld bij welke belasting de verbinding faalt, het team kan een manier bedenken om deze tekortkoming te verhelpen.

"Het doel is om solide materialen te creëren door de gecontroleerde assemblage en atomaire binding van elementen op nanoschaal, wat leidt tot netwerkvaste stoffen met opmerkelijk verbeterde thermo-elektromechanische eigenschappen, " zegt Suhr, die ook is aangesloten bij UD's Center for Composite Materials.

Als het project slaagt, Suhr zegt, onderzoekers zullen een dieper begrip ontwikkelen van de structuur-eigenschaprelaties die nodig zijn om 3D-architecturen van koolstofnanobuisjes voor industriële toepassingen te optimaliseren en uiteindelijk te commercialiseren. Echt onderling verbonden 3D-nanogestructureerde materialen zullen ook uitzonderlijke eigenschappenverbeteringen bieden voor toepassingen die strategische DOD-initiatieven ondersteunen.

“Deze prestigieuze subsidie ​​biedt Jonghwan en zijn team een ​​uitstekende kans om fundamentele nieuwe doorbraken te creëren in het gebruik van koolstofnanobuisjes, " merkte Anette Karlsson op, voorzitter van de faculteit Werktuigbouwkunde.