(Phys.org) -- Zoals het aantrekken van een Superman-cape, fragiele koolstofnanobuisjes (CNT) aerogels die zijn bedekt met een grafeencoating, kunnen worden getransformeerd van een materiaal dat gemakkelijk bezwijkt onder compressie tot een materiaal dat grote hoeveelheden compressie kan weerstaan ​​en zijn oorspronkelijke vorm volledig kan herstellen na verwijdering van de belasting. De superelasticiteit en vermoeidheidsweerstand van de grafeencoating kunnen CNT-aerogels op verschillende gebieden bruikbaar maken, inclusief als elektroden, kunstmatige spieren, en andere mechanische constructies.

De onderzoekers, Kyu Hun Kim, Youngseok Oh, en Mohammad F. Islam aan de Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania, hebben hun paper over de mechanische voordelen van een grafeencoating op CNT-aerogels gepubliceerd in een recent nummer van: Natuur Nanotechnologie .

"We demonstreren de transformatie van een nanobuisnetwerk van fragiel naar superelastisch, simpelweg via 'nanocoating, ’” vertelde de islam Phys.org . "Typisch, coating voegt corrosieweerstand toe, smering, esthetiek, wijziging van de oppervlaktechemie, afdichting, enzovoort., maar geen mechanische verandering van eigenschappen."

Terwijl een normale gel meestal uit vloeibaar materiaal bestaat met een verknoopt netwerk dat het zijn vaste structuur geeft, een aerogel ontstaat door het vloeibare materiaal in een gel te vervangen door een gas. Dit doen onderzoekers door de originele gel bij een kritische temperatuur te drogen. De resulterende aerogel is een lichtgewicht materiaal gemaakt van 99,9% lucht per volume, maar een die ook droog is, onbuigzaam, en sterk als een vaste stof.

In de huidige studie, de onderzoekers werkten met CNT-aerogels, die (naast de lucht) zijn gemaakt van gedispergeerde nanobuisjes van ongeveer 1 micrometer lang. CNT-aerogels behouden hun vorm door moleculaire interacties op de knooppunten, de punten waar de nanobuisjes elkaar kruisen. Echter, wanneer deze aerogels tot 90% van hun oorspronkelijke grootte worden samengeperst, ze bezwijken of worden permanent vervormd, potentiële toepassingen te beperken.

Om dit inelasticiteitsprobleem op te lossen, de onderzoekers toonden aan dat een tot vijf lagen grafeencoating een CNT-aerogel in staat stelt om meer dan 1 miljoen compressiecycli te weerstaan ​​​​en na compressie-release in zijn oorspronkelijke vorm terug te keren. Het vermogen om deze compressie te weerstaan, verandert de aerogels in superelastische materialen, terwijl ze tegelijkertijd hun andere eigenschappen, zoals porositeit en geleidbaarheid, behouden.

De onderzoekers denken dat de grafeencoating deze superelasticiteit aan de aerogel geeft door de knopen en stutten van de aerogel te versterken, die beide de netwerkstructuur van de aerogel ondersteunen. In niet-gecoate aerogels, de stutten kunnen buigen en vrij rond de knopen draaien wanneer ze worden samengedrukt, die het contactoppervlak tussen nanobuisjes vergroot en nieuwe knopen vormt. Wanneer de lading wordt verwijderd, de nieuwe knopen blijven bestaan ​​omdat er meer kracht nodig is om de knopen te verwijderen dan om ze te vormen.

In tegenstelling tot, de sterkere stutten in met grafeen gecoate aerogels kunnen niet gemakkelijk rond de knooppunten draaien wanneer ze worden gecomprimeerd. Hoewel er ook nieuwe knopen worden gevormd in de gecoate aerogels, de grafeencoating kan deze knooppunten verwijderen wanneer de belasting wordt verwijderd.

"Zowel CNT-aerogels als met grafeen gecoate CNT-aerogels vormen 'nieuwe' knooppunten wanneer ze worden gecomprimeerd, ' legde de islam uit. "We denken dat het grafeen op de knooppunten wordt samengedrukt en verfrommeld wanneer de met grafeen gecoate aerogels worden samengeperst. Wanneer de lading wordt verwijderd, nanobuis-aerogels herstellen de oorspronkelijke vorm niet omdat er geen herstellende kracht is om de nieuwe knooppunten te 'breken' die tijdens compressie zijn gevormd. In tegenstelling tot, de samengeperste en verkreukelde grafeenvlokken zorgen voor de herstellende kracht (d.w.z. fungeren als veren) die nodig zijn om deze nieuwe knopen in met grafeen gecoate aerogels te breken.”

CNT-aerogels die hoge compressieniveaus kunnen ondergaan en later terugveren naar hun oorspronkelijke vorm, kunnen de deuren openen voor nieuwe aerogel-toepassingen. CNT-aerogels hebben al aantrekkelijke eigenschappen, zoals de inherente flexibiliteit van aerogelsynthese waarmee onderzoekers hun vormen en maten kunnen controleren, en superelasticiteit maakt deze materialen nog aantrekkelijker.

"CNT-aerogels, in het bijzonder enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) aerogels, een groot oppervlak hebben, elektrisch geleidend zijn, grote poriën hebben, en redelijk goede thermische dissipatie-eigenschappen hebben als je bedenkt dat de hoeveelheid materiaal erin erg klein is, "Islam zei, eraan toevoegend dat zijn team onlangs artikelen heeft gepubliceerd over de warmtetransporteigenschappen van de aerogels en een oppervlak dat dicht bij de theoretische limiet ligt. “Vanwege hun eigenschappen CNT-aerogels kunnen worden gebruikt als een steiger om composieten te maken, zeven, ultralichte koellichamen in toepassingen met hoge zwaartekracht, elektroden, en katalysatordragers. Typisch, nanobuisjes zijn onverenigbaar met polymeren en hebben de neiging tot fase-segregatie. Door aerogels als steiger te gebruiken en op te vullen met polymeer, nanobuisjes kunnen goed gedispergeerd blijven in de polymeermatrix. Dit kan de mechanische verbetering aanzienlijk verbeteren.”

De onderzoekers onderzoeken momenteel andere gebieden van CNT-aerogels, naast superelasticiteit.

“Momenteel werken we aan een aantal projecten, ' zei hij. “We gebruiken SWCNT-aerogels om elektrisch geleidende composieten te maken. Ook onderzoeken we hoe we mechanisch sterke polymeercomposieten kunnen maken. Met onze medewerkers, we onderzoeken de elektrochemische eigenschappen van SWCNT-aerogels. We kweken metalen nanodeeltjes op deze SWCNT-aerogels voor gebruik als filters voor het verwijderen van schadelijke chemicaliën uit water. We gebruiken ze ook als poreuze 3D-geleidende substraten voor weefselgroei.

"Ik denk dat de modulus en sterkte van deze nanobuis-aerogels moeten worden verbeterd zonder de porositeit te verminderen. Zoals u zich kunt voorstellen, de aerogels kunnen aanzienlijk sterker worden gemaakt door alleen de volumefractie van nanobuisjes erin te vergroten, maar dit zal de porositeit verminderen.”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.