Nanobuisjes - microscopisch kleine cilinders in de vorm van rietjes, maar slechts een duizendste van de diameter van een mensenhaar - zijn het onderwerp geweest van intensief onderzoek, met potentiële toepassingen variërend van zonnecellen tot chemische sensoren tot versterkte composietmaterialen. Het meeste onderzoek heeft zich gericht op koolstofnanobuisjes, maar de eigenschappen van andere nanobuisjes lijken vergelijkbaar te zijn.

Het was dus nogal onverwacht toen Lydéric Bocquet, een gasthoogleraar in MIT's Department of Civil and Environmental Engineering, voerde tests uit op koolstofnanobuizen (CNT's) en boornitride-nanobuizen (BNNT's) en ontdekte dat ten minste in termen van één belangrijke eigenschap, wrijving, de twee schijnbaar identieke soorten buizen waren niet alleen verschillend, maar bijna tegengesteld in hun kenmerken:CNT's zijn zo glad dat ze worden beschreven als een extreme vorm van wrijvingsloosheid, superlubriciteit genoemd. BNNT's, anderzijds, vertonen een zeer hoge mate van wrijving - een totaal onverwachte ontdekking.

De tests werden uitgevoerd in een apparaat waarmee een nanobuisje tussen twee steunen kan worden opgehangen, die het vervolgens met een nauwkeurig gekalibreerde kracht uit elkaar kan trekken. De buizen - eigenlijk een set geneste buizen, net als een ouderwetse telescoop - uiteindelijk breken onder de spanning. Een of meer van de buizen kunnen uit de andere worden getrokken, zoals het verlengen van de telescoop. De kracht die nodig is om de ene buis uit de andere te trekken, kan dan worden gemeten.

"Het was een grote verrassing - we vonden een enorm verschil in wrijving, " zegt Bocquet. De bevindingen worden beschreven in een paper in het tijdschrift Natuurmaterialen , co-auteur van Bocquet en vier van zijn collega's aan de Université de Lyon in Frankrijk. Het werk maakte deel uit van een voortdurende samenwerking, genaamd MultiScale Material Science voor Energie en Milieu, tussen MIT en het Centre National de la Recherche Scientifique in Frankrijk.

soortgelijke elementen, verschillende effecten

De componenten van boornitride - boor en stikstof - flankkoolstof op het periodiek systeem, dus hun eigenschappen lijken nogal op elkaar, merkt Bocquet op. Hoewel BNNT's eerder zijn onderzocht, het materiaal is "minder bekend dan koolstofnanobuisjes, "zegt hij. Als je de twee naast elkaar bestudeert, hij voegt toe, ze zijn in principe hetzelfde, behalve hun elektrische eigenschappen:CNT's zijn geleiders of halfgeleiders, terwijl BNNT's isolatoren zijn. Daarom was het een schok om "een enorm verschil, ook al zijn ze structureel in wezen hetzelfde. Er is een verborgen verschil dat we nog steeds niet helemaal begrijpen."

Het is onduidelijk welke praktische toepassingen de bevinding zou kunnen hebben, Bocquet zegt, maar hij suggereert dat de buizen met hoge wrijving zouden kunnen functioneren als een soort schokabsorberend materiaal. "Een groot membraan van dat materiaal kan veel energie afvoeren, "zegt hij. Ironisch genoeg, het materiaal is al lang geproduceerd als een industrieel smeermiddel:blijkbaar zijn de bulk-smerende eigenschappen heel anders dan de wrijving tussen de lagen die werd gezien in de laboratoriumexperimenten.

Maar Bocquet ziet deze ontdekking vooral als een beter begrip van de fundamentele eigenschappen van materialen. Het werk van zijn team om BNNT's te manipuleren "geeft veel nieuwe hints van eigenschappen van materialen op nanoschaal, " hij zegt.

Uitdagende vragen

De verschillen tussen hoe materialen zich in bulk en op nanoschaal gedragen "is typerend voor het soort vragen dat nu een uitdaging vormt, "Bocket zegt, maar zou uiteindelijk de ontwikkeling van nano-elektromechanische systemen en apparaten mogelijk kunnen maken. "Je zou kunnen denken aan het bedenken van een soort nanospuit, " bijvoorbeeld, hij zegt. "In zekere zin, de limiet is gewoon verbeelding."

Erio Tosatti, een professor in de natuurkunde aan de International School for Advanced Studies in Triëst, Italië, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt dat dit onderzoek "aantoont dat structuur en geometrie niet het enige is dat van belang is voor glijdende dissipatie; ioniciteit en elektronische structuurverschillen doen dat ook." Hij voegt eraan toe dat dit rapport "waarschijnlijk een benchmark zal blijven waartegen onze toekomstige nanofrictietheorieën zullen moeten worden getest."

Naast Bocquet, het werk werd uitgevoerd door Alessandro Siria - die het apparaat bedacht dat in het experiment werd gebruikt - Antoine Nigues, Pascal Vincent, en Philippe Poncharal, allemaal van de Université de Lyon. Het werd gesteund door de European Research Council.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.