Koolstofnanobuisjes (CNT's) zijn microscopisch kleine buisvormige structuren die ingenieurs "groeien" door een proces dat wordt uitgevoerd in een oven op hoge temperatuur. De krachten die de CNT-structuren creëren die bekend staan ​​als "bossen", zijn vaak onvoorspelbaar en worden meestal aan het toeval overgelaten. Nutsvoorzieningen, een onderzoeker van de Universiteit van Missouri heeft een manier ontwikkeld om te voorspellen hoe deze gecompliceerde structuren worden gevormd. Door te begrijpen hoe CNT-arrays worden gemaakt, ontwerpers en ingenieurs kunnen het zeer aanpasbare materiaal beter opnemen in apparaten en producten zoals honkbalknuppels, ruimtevaart bedrading, bestrijding van kogelvrije vesten, computerlogicacomponenten en microsensoren die worden gebruikt in biomedische toepassingen.

CNT's zijn veel kleiner dan de breedte van een mensenhaar en vormen van nature "bossen" wanneer ze in grote aantallen worden gemaakt (zie foto). deze bossen, bij elkaar gehouden door een hechtkracht op nanoschaal die bekend staat als de van der Waals-kracht, worden gecategoriseerd op basis van hun stijfheid of hoe ze zijn uitgelijnd. Bijvoorbeeld, als CNT's dicht en goed uitgelijnd zijn, het materiaal heeft de neiging stijver te zijn en kan nuttig zijn voor elektrische en mechanische toepassingen. Als CNT's ongeorganiseerd zijn, ze zijn meestal zachter en hebben totaal verschillende eigenschappen.

"Wetenschappers leren nog steeds hoe koolstofnanobuisarrays worden gevormd, " zei Matt Maschmann, assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek aan het College of Engineering aan de MU. "Omdat ze in relatief dichte populaties groeien, mechanische krachten combineren ze tot verticaal georiënteerde assemblages die bekend staan ​​​​als bossen of arrays. De complexe structuren die ze vormen, helpen bij het bepalen van de eigenschappen die de CNT-bossen bezitten. We werken aan het identificeren van de mechanismen achter hoe die bossen ontstaan, hoe hun vorming te beheersen en zo toekomstig gebruik voor CNT's te dicteren."

Momenteel, de meeste modellen die CNT-bossen onderzoeken, analyseren wat er gebeurt als je ze comprimeert of hun thermische of geleidbaarheidseigenschappen testen nadat ze zijn gevormd. Echter, deze modellen houden geen rekening met het proces waarmee dat specifieke bos is gemaakt en worstelen om een ​​realistische CNT-bosstructuur vast te leggen.

Experimenten uitgevoerd in het laboratorium van Maschmann zullen wetenschappers helpen het proces te begrijpen en uiteindelijk te helpen het te beheersen, waardoor ingenieurs nanobuisbossen kunnen creëren met de gewenste mechanische, thermische en elektrische eigenschappen. Hij gebruikt modellering om in kaart te brengen hoe nanobuisjes uitgroeien tot bepaalde soorten bossen voordat ze proberen hun resulterende eigenschappen te testen.

"Het voordeel van deze aanpak is dat we in kaart kunnen brengen hoe verschillende syntheseparameters, zoals temperatuur en katalysatordeeltjesgrootte, beïnvloeden hoe nanobuisjes worden gevormd en tegelijkertijd de resulterende CNT-bossen testen op hoe ze zich zullen gedragen in één uitgebreide simulatie, " zei Maschmann. "Ik ben zeer bemoedigd dat het model met succes voorspelt hoe ze worden gevormd en hun mechanisch gedrag. Weten hoe nanobuisjes zijn georganiseerd en zich gedragen, zal ingenieurs helpen om CNT's beter te integreren in praktische, alledaagse toepassingen."

"Geïntegreerde simulatie van bosgroei met actieve koolstof nanobuisjes en mechanische compressie, " zal worden gepubliceerd in de komende editie van het tijdschrift, Koolstof .