Wat is 100 keer sterker dan staal, een zesde zoveel weegt en als een takje kan worden afgebroken door een kleine luchtbel? Het antwoord is een koolstofnanobuisje -- en een nieuwe studie door wetenschappers van Rice University geeft precies aan hoe de veel bestudeerde nanomaterialen breken wanneer ze worden blootgesteld aan ultrasone trillingen in een vloeistof.

"We ontdekken dat het oude gezegde 'ik zal breken maar niet buigen' niet geldt op micro- en nanoschaal, " zei Rice engineering-onderzoeker Matteo Pasquali, de hoofdwetenschapper van het onderzoek, die deze maand verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Koolstof nanobuisjes -- holle buizen van pure koolstof ongeveer zo breed als een DNA-streng -- zijn een van de meest bestudeerde materialen in nanotechnologie. Al meer dan een decennium, wetenschappers hebben ultrasone trillingen gebruikt om nanobuisjes in het laboratorium te scheiden en voor te bereiden. In de nieuwe studie Pasquali en collega's laten zien hoe dit proces werkt - en waarom het nadelig is voor lange nanobuisjes. Dat is belangrijk voor onderzoekers die lange nanobuisjes willen maken en bestuderen.

"We ontdekten dat lange en korte nanobuisjes zich heel anders gedragen wanneer ze worden gesoniceerd, " zei Pasquali, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en scheikunde aan Rice. "Kortere nanobuisjes worden uitgerekt, terwijl langere nanobuisjes buigen. Beide mechanismen kunnen leiden tot breuk."

Meer dan 20 jaar geleden ontdekt, koolstof nanobuisjes zijn een van de originele wondermaterialen van nanotechnologie. Ze zijn nauw verwant aan de buckyball, het deeltje waarvan de ontdekking in 1985 bij Rice de nanotechnologierevolutie op gang bracht.

Nanobuisjes kunnen worden gebruikt in overschilderbare batterijen en sensoren, om ziekten te diagnosticeren en te behandelen, en voor stroomkabels van de volgende generatie in elektriciteitsnetten. Veel van de optische en materiaaleigenschappen van nanobuisjes zijn ontdekt in Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, en de eerste grootschalige productiemethode voor het maken van enkelwandige nanobuisjes werd in Rice ontdekt door de naamgenoot van het instituut, wijlen Richard Smalley.

"Het verwerken van nanobuisjes in vloeistoffen is industrieel belangrijk, maar het is vrij moeilijk omdat ze de neiging hebben om samen te klonteren, "co-auteur Micah Green zei. "Deze nanobuisjes lossen niet op in gewone oplosmiddelen, maar ultrasoonapparaat kan deze klonten uit elkaar breken om te scheiden, d.w.z., verspreiden, de nanobuisjes."

Nieuw gekweekte nanobuisjes kunnen duizend keer langer zijn dan breed, en hoewel sonicatie zeer effectief is in het opbreken van de klonten, het maakt de nanobuisjes ook korter. In feite, onderzoekers hebben een vergelijking ontwikkeld die een "machtswet" wordt genoemd en die beschrijft hoe dramatisch deze verkorting zal zijn. Wetenschappers voeren het sonicatievermogen in en de hoeveelheid tijd dat het monster zal worden gesonificeerd, en de machtswet vertelt hen de gemiddelde lengte van de nanobuisjes die zullen worden geproduceerd. De nanobuisjes worden korter naarmate het vermogen en de belichtingstijd toenemen.

"Het probleem is dat er twee verschillende machtswetten zijn die overeenkomen met afzonderlijke experimentele bevindingen, en een van hen produceert een lengte die een stuk korter is dan de andere, "Zei Pasquali. "Het is niet zo dat de ene correct is en de andere fout. Elk is experimenteel geverifieerd, dus het is een kwestie van begrijpen waarom. Philippe Poulin bracht deze discrepantie in de literatuur voor het eerst aan het licht en bracht het probleem onder mijn aandacht toen ik zijn lab drie jaar geleden bezocht."

Om deze discrepantie te onderzoeken, Pasquali en co-auteurs Guido Pagani, Micah Green en Poulin wilden de interacties tussen de nanobuisjes en de sonicatiebellen nauwkeurig modelleren. Hun computermodel, die draaide op Rice's Cray XD1 supercomputer, gebruikte een combinatie van vloeistofdynamicatechnieken om de interactie nauwkeurig te simuleren. Toen het team de simulaties uitvoerde, ze ontdekten dat langere buizen zich heel anders gedroegen dan hun kortere tegenhangers.

"Als de nanobuis kort is, het ene uiteinde wordt naar beneden getrokken door de instortende bel, zodat de nanobuis is uitgelijnd naar het midden van de bel, ' zei Pasquali. 'In dit geval, de buis buigt niet, maar strekt zich eerder uit. Dit gedrag was eerder voorspeld, maar we ontdekten ook dat lange nanobuisjes iets onverwachts deden. Het model liet zien hoe de instortende bubbel vanuit het midden langere nanobuisjes naar binnen trok, ze buigen en breken als twijgen."

Pasquali zei dat het model laat zien hoe beide machtswetten correct kunnen zijn:de ene beschrijft een proces dat langere nanobuisjes beïnvloedt en een andere beschrijft een proces dat kortere nanobuisjes beïnvloedt.

"Het vergde enige flexibiliteit om te begrijpen wat er gebeurde, " Zei Pasquali. "Maar het resultaat is dat we een zeer nauwkeurige beschrijving hebben van wat er gebeurt als nanobuisjes worden gesoniceerd."