Ondanks hun kleine formaat en eenvoudige structuur, koolstofnanobuisjes - in wezen vellen grafeen die tot rietjes zijn opgerold - hebben allerlei potentieel nuttige eigenschappen. Nog altijd, terwijl hun belofte groot opdoemt, hoe je die belofte volledig kunt realiseren, is een mysterie gebleken.

In een poging iets van dat mysterie weg te nemen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), het Massachusetts Institute of Technology en de University of Maryland hebben geavanceerde technieken voor het verzamelen en verwerken van afbeeldingen ontwikkeld om de nanoschaalstructuur van koolstofnanobuisjes in een composietmateriaal in 3D in kaart te brengen. Hoe de nanobuisjes precies zijn verdeeld en gerangschikt in het materiaal, speelt een belangrijke rol in de algemene eigenschappen ervan. De nieuwe gegevens zullen onderzoekers helpen bij het bestuderen van composietmaterialen om realistische computermodellen van materialen te bouwen en te testen met een breed scala aan thermische, elektrisch, en mechanische eigenschappen.

Hun onderzoek was te zien in ACS Nano .

Koolstofvezelcomposieten worden doorgaans gewaardeerd om hun hoge sterkte en laag gewicht, en koolstof nanobuis (CNT) composieten (of nanocomposieten), die meer en kleinere koolstoffilamenten hebben, veelbelovend voor hoge sterkte en andere eigenschappen, zoals het vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden.

Echter, volgens NIST's Alex Liddle, een auteur over de studie, terwijl onderzoekers voorheen betrouwbaar de bulkeigenschappen van een nanocomposiet konden meten, ze wisten niet precies waarom verschillende samenstellingen van het composiet verschillende eigenschappen hadden.

"Om erachter te komen waarom deze materialen de eigenschappen hebben die ze hebben, is een gedetailleerde, kwantitatief begrip van hun complexe 3D-structuur, " zegt Liddle. "We moeten niet alleen de concentratie van nanobuisjes weten, maar ook hun vorm en positie, en relateren dat aan de eigenschappen van het materiaal."

Het is moeilijk om de rangschikking van koolstofnanobuisjes in een composietmateriaal te zien, Hoewel, omdat ze zijn omgeven door een epoxyhars die ook grotendeels uit koolstofatomen bestaat. Zelfs met geavanceerde sondes is het contrast te laag voor software-beeldprocessors om ze gemakkelijk te selecteren.

In dergelijke onderzoekssituaties je wendt je tot afgestudeerde studenten en postdocs zoals Bharath Natarajan van NIST, omdat mensen over het algemeen geweldige beeldprocessors maken. Maar duizenden koolstofnanobuisjes in een afbeelding markeren is ontzettend saai, daarom ontwierp Natarajan een beeldverwerkingsalgoritme dat CNT's zo goed als hij kan onderscheiden van een epoxyhars. Het betaalde zich uit.

Volgens Lidl, een CNT drukt zijn volledige potentieel uit in sterkte en thermische en elektrische geleidbaarheid wanneer deze uitgerekt en recht is, maar …

"Als CNT's worden gesuspendeerd in een epoxyhars, ze verspreiden zich, bundel en draai in verschillende vormen, " zegt Liddle. "Onze analyse onthulde dat de voordelen van CNT's op een niet-lineaire manier toenemen naarmate hun concentratie toeneemt. Naarmate de concentratie toeneemt, de CNT's in contact komen, het verhogen van het aantal kruispunten, die hun elektrische en thermische geleidbaarheid verhogen, en het fysieke contact zorgt ervoor dat ze zich aan elkaar aanpassen, die hen recht maakt, de sterkte van het materiaal vergroten."

Het feit dat het verhogen van de concentratie van CNT's de eigenschappen verbetert, is niet bijzonder verrassend, maar nu weten onderzoekers hoe dit de eigenschappen van de materialen beïnvloedt en waarom eerdere modellen van de prestaties van nanocomposietmaterialen nooit helemaal overeenkwamen met hoe ze in de praktijk presteerden.

"We hebben echt alleen het topje van de ijsberg gezien met betrekking tot deze materiaalklasse, ", zegt Liddle. "Er zijn allerlei manieren waarop andere onderzoekers de gegevens kunnen versnijden en in blokjes snijden om te modelleren en uiteindelijk optimale materialen voor thermisch beheer te produceren, mechanische versterking, energie opslag, drugstransport en andere toepassingen."