Onderzoekers van de Rice University ontdekten dat het plaatsen van nanobuispilaren tussen vellen grafeen hybride structuren zou kunnen creëren met een unieke krachtbalans, taaiheid en taaiheid in alle drie de dimensies.

Koolstof nanomaterialen zijn nu gebruikelijk als vlakke platen, nanobuisjes en bollen, en ze worden bekeken voor gebruik als bouwstenen in hybride structuren met unieke eigenschappen voor elektronica, warmtetransport en sterkte. Het Rice-team legt een theoretische basis voor dergelijke constructies door te analyseren hoe de knooppunten van de blokken de eigenschappen van de gewenste materialen beïnvloeden.

Rijstmateriaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari en alumnus Navid Sakhavand berekenden hoe verschillende links, vooral tussen koolstofnanobuisjes en grafeen, zou de eigenschappen van de uiteindelijke hybride in alle richtingen beïnvloeden. Ze ontdekten dat het introduceren van juncties extra flexibiliteit zou toevoegen met behoud van bijna dezelfde sterkte in vergelijking met materialen gemaakt van gelaagd grafeen.

Hun resultaten verschijnen deze week in het tijdschrift Koolstof .

Koolstofnanobuisjes zijn opgerolde reeksen van perfecte zeshoeken van atomen; grafeen is een uitgerold vel van hetzelfde. Beide zijn supersterk en blinken uit in het overbrengen van elektronen en warmte. Maar als de twee zich bij elkaar voegen, de manier waarop de atomen zijn gerangschikt, kan al die eigenschappen beïnvloeden.

"Sommige laboratoria proberen actief deze materialen te maken of eigenschappen te meten, zoals de sterkte van enkele nanobuisjes en grafeenplaten, " zei Shahsavari. "Maar we willen zien wat er gebeurt en de eigenschappen van hybride versies van grafeen en nanobuisjes kwantitatief voorspellen. Deze hybride structuren geven nieuwe eigenschappen en functionaliteit die afwezig zijn in hun ouderstructuren - grafeen en nanobuisjes."

Daartoe, het lab assembleerde driedimensionale computermodellen van "pillared grafeen nanostructuren, " vergelijkbaar met de boornitride-structuren die in een eerdere studie zijn gemodelleerd om de warmteoverdracht tussen lagen te analyseren.

"Deze keer waren we geïnteresseerd in een uitgebreid begrip van de elastische en niet-elastische eigenschappen van 3D-koolstofmaterialen om hun mechanische sterkte en vervormingsmechanismen te testen, " zei Shahsavari. "We vergeleken onze 3-D hybride structuren met de eigenschappen van 2-D gestapelde grafeenvellen en 1-D koolstofnanobuizen."

Gelaagde vellen grafeen houden hun eigenschappen in het vlak, maar vertonen weinig stijfheid of thermische geleidbaarheid van plaat tot plaat, hij zei. Maar grafeenmodellen met pilaren lieten een veel betere sterkte en stijfheid zien en een verbetering van 42 procent in ductiliteit buiten het vlak. het vermogen om onder spanning te vervormen zonder te breken. Dit laatste zorgt ervoor dat grafeen met pilaren opmerkelijke taaiheid vertoont langs out-of-plane richtingen, een functie die niet mogelijk is in 2D-gestapelde grafeenvellen of 1-D koolstofnanobuizen, zei Shahsavari.

De onderzoekers berekenden hoe de inherente energieën van de atomen zeshoeken dwingen om atomen aan te nemen of te verliezen aan naburige ringen, afhankelijk van hoe ze zich aansluiten bij hun buren. Door vijf te forceren, zeven of zelfs acht-atoom ringen, ze ontdekten dat ze een zekere mate van controle konden krijgen over de mechanische eigenschappen van de hybride. Het draaien van de nanobuisjes op een manier die rimpels in de grafeenvellen dwong, voegde meer flexibiliteit en afschuifcompliance toe, zei Shahsavari.

Toen het materiaal brak, de onderzoekers vonden het veel waarschijnlijker dat dit gebeurde bij de achtkoppige ringen, waar een groot deel van de spanning zich ophoopt bij stress. Dat leidt tot het idee dat de hybriden kunnen worden afgesteld om onder bepaalde omstandigheden te falen.

"Dit is de eerste keer dat iemand zo'n uitgebreide atomistische 'lens' heeft gemaakt om te kijken naar de junctie-gemedieerde eigenschappen van 3D-koolstofnanomaterialen, " zei Shahsavari. "Wij geloven dat de principes kunnen worden toegepast op andere laagdimensionale materialen zoals boornitride en molybdeen/wolfraam of de combinaties daarvan."

Shahsavari is een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalwetenschap en nano-engineering bij Rice.