Een team van onderzoekers heeft een nieuwe manier ontwikkeld om microgestructureerde oppervlakken met nieuwe driedimensionale texturen te vervaardigen. Deze oppervlakken, gemaakt door zelfassemblage van koolstofnanobuisjes, kan een verscheidenheid aan nuttige eigenschappen vertonen, waaronder regelbare mechanische stijfheid en sterkte, of het vermogen om water in een bepaalde richting af te stoten.

"We hebben aangetoond dat mechanische krachten kunnen worden gebruikt om nanostructuren te sturen om complexe driedimensionale microstructuren te vormen, en dat we onafhankelijk de mechanische eigenschappen van de microstructuren kunnen controleren, " zegt A. John Hart, de Mitsui Career Development Associate Professor of Mechanical Engineering aan het MIT en senior auteur van een paper waarin de nieuwe techniek in het tijdschrift wordt beschreven Natuurcommunicatie .

De techniek werkt door koolstofnanobuisjes te laten buigen terwijl ze groeien. Het mechanisme is analoog aan het buigen van een bimetalen strip, gebruikt als regeling in oude thermostaten, als het opwarmt:het ene materiaal zet sneller uit dan het andere eraan gebonden is. Maar in dit nieuwe proces het materiaal buigt als het wordt geproduceerd door een chemische reactie.

Het proces begint met het printen van twee patronen op een substraat:de ene is een katalysator van koolstofnanobuisjes; het tweede materiaal wijzigt de groeisnelheid van de nanobuisjes. Door de twee patronen te verschuiven, de onderzoekers toonden aan dat de nanobuisjes in voorspelbare vormen buigen als ze zich uitstrekken.

"We kunnen deze eenvoudige tweedimensionale instructies specificeren, en ervoor zorgen dat de nanobuisjes complexe vormen in drie dimensies vormen, " zegt Hart. Waar nanobuisjes die met verschillende snelheden groeien naast elkaar liggen, "ze duwen en trekken aan elkaar, " het produceren van meer complexe vormen, Hart legt uit. "Het is een nieuw principe om mechanica te gebruiken om de groei van een nanogestructureerd materiaal te beheersen, " hij zegt.

Er zijn maar weinig productieprocessen met een hoge doorvoer die zo'n flexibiliteit kunnen bereiken bij het creëren van driedimensionale structuren, zegt Hart. Deze techniek, hij voegt toe, is aantrekkelijk omdat het kan worden gebruikt om tegelijkertijd grote vlakken van de constructies te creëren; de vorm van elke structuur kan worden gespecificeerd door het startpatroon te ontwerpen. Hart zegt dat de techniek ook controle over andere eigenschappen mogelijk maakt, zoals elektrische en thermische geleidbaarheid en chemische reactiviteit, door verschillende coatings op de koolstofnanobuisjes te bevestigen nadat ze zijn gegroeid.

"Als je de structuren na het groeiproces bedekt, je kunt hun eigenschappen prachtig wijzigen, " zegt Hart. Bijvoorbeeld, coating van de nanobuisjes met keramiek, met behulp van een methode genaamd atomaire laagafzetting, maakt het mogelijk de mechanische eigenschappen van de constructies te controleren. "Als een dikke laag wordt afgezet, we hebben een oppervlak met uitzonderlijke stijfheid, kracht, en taaiheid ten opzichte van [zijn] dichtheid, Hart legt uit. "Wanneer een dunne coating wordt afgezet, de structuren zijn zeer flexibel en veerkrachtig."

Deze benadering kan ook "high-fidelity-replicatie mogelijk maken van de ingewikkelde structuren die op de huid van bepaalde planten en dieren worden aangetroffen, "Hert zegt, en zou het mogelijk kunnen maken om oppervlakken met gespecialiseerde kenmerken in massa te produceren, zoals het waterafstotende en hechtende vermogen van sommige insecten. "We zijn geïnteresseerd in het beheersen van deze fundamentele eigenschappen met behulp van schaalbare productietechnieken, ' zegt Hart.

Hart zegt dat de oppervlakken de duurzaamheid hebben van koolstofnanobuisjes, waardoor ze kunnen overleven in ruwe omgevingen, en kan worden aangesloten op elektronica en functioneren als sensoren van mechanische of chemische signalen.

Kevin Turner, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en toegepaste mechanica aan de Universiteit van Pennsylvania die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat deze benadering "vrij nieuw is omdat het de engineering van complexe 3D-microstructuren [samengesteld] uit koolstofnanobuisjes mogelijk maakt. Traditionele microfabricagebenaderingen, zoals patronen en etsen, laten over het algemeen alleen de fabricage toe van eenvoudige 3D-structuren die in wezen geëxtrudeerde 2D-patronen zijn."

Turner voegt toe, "Een bijzonder opwindend aspect van dit werk is dat de structuren zijn samengesteld uit koolstofnanobuisjes, die de gewenste mechanische, thermisch, en elektrische eigenschappen."

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.