Let niet op de ABC's. Wetenschappers van Rice University die geïnteresseerd zijn in nanobuisjes bestuderen hun XY's.

Koolstofnanobuisjes die in een oven worden gekweekt, zijn niet altijd recht. Soms buigen en knikken ze, en soms vertakken ze zich in verschillende richtingen. De Rice-onderzoekers realiseerden zich dat ze nu de tools hadden om te onderzoeken hoe zwaar die takken zijn.

Ze gebruikten experimenten en simulaties om de stijfheid van verbonden nanobuisjes te bestuderen en vonden significante verschillen die worden bepaald door hun vorm. Het bleek dat sommige soorten harder zijn dan andere, en dat ze allemaal hun nut kunnen hebben als en wanneer nanobuisjes worden gebruikt om structuren op macroschaal te bouwen.

Het team onder leiding van Rice-materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan en theoretisch natuurkundige Boris Yakobson noemden hun nanobuisjes naar hun vorm:I for straight nanotubes, Y voor vertakt, X voor covalent verbonden buizen die elkaar kruisen, het lambda-symbool (een omgekeerde "V") voor nanobuisjes die onder elke hoek samenkomen en het omega-symbool (Ω) voor niet-covalente buisjes die door van der Waals en andere krachten binden.

Ze zeiden dat gerichte synthese van dit "nanobuisalfabet" materiaal kan opleveren voor toekomstige nanoschaalstructuren met afstembare mechanismen.

De studie werd gepubliceerd door de American Chemical Society's Nano-letters .

"We hadden een soort taal nodig om de specifieke configuratie van de kruispunten te beschrijven, dus we dachten, 'Laten we letters gebruiken, '" zei Evgeni Penev, een co-auteur en onderzoeker in de groep van Yakobson.

Chandra Sekhar Tiwary, een postdoctoraal onderzoeker in het Ajayan-lab, prikte de nanobuisverbindingen met een PicoIndenter die kracht en verplaatsing meet in nanonewtons (miljardste van een newton, een eenheid van kracht) en nanometers. De PicoIndenter werd geïnstalleerd op een scanning elektronenmicroscoop bij Hysitron, een productie- en testbedrijf voor nanomechanische testinstrumenten in Minneapolis.

Nanobuisjes gekweekt door Rice afgestudeerde student Sehmus Ozden werden gedispergeerd in een oplossing, gedroogd op silicium en onder de microscoop gelegd, waar Tiwary ze scande op kandidaat-'brieven'. Vervolgens moest hij er zeker van zijn dat die kandidaten afzonderlijke eenheden waren en niet slechts twee afzonderlijke nanobuisjes. "De ruimte tussen de buizen kon maar 1 nanometer zijn, maar de resolutie van de microscoop was 5 nanometer, dus we moesten één kant (van de nanobuisjes) oppakken om er zeker van te zijn dat ze echt gelast waren, " zei hij. "Als de nanobuisjes gemakkelijk uit elkaar zouden gaan, we gingen door naar de volgende kandidaat."

Het aanbrengen van de sonde op een bepaalde plek op een individuele nanobuis was een test van geduld, zei Tiwary. Toen er een goede kandidaat verscheen, hij en Hysitron senior stafwetenschapper en co-auteur Sanjit Bhowmick richtten zich op de kruising en, meer dan 20 minuten, langzaam toegepast en voldoende druk losgelaten om het samen te drukken zonder het te breken. "Vroeger, deze tests gebruikten brute kracht, maar de nieuwe tools zijn opmerkelijk, " zei Tiwary. "We konden toekijken terwijl we de nanobuisjes samenpersden."

Onder de atomair gebonden buizen, ze ontdekten dat de X's het stijfst waren en het best in staat waren om terug te stuiteren naar bijna hun oorspronkelijke vormen. Vervolgens kwamen Y's en toen de lambda's met een willekeurige hoek, maar ze bleven allemaal achter met deuken vanwege nieuw gemaakte verbindingen tussen de binnenmuren. De I's en Omega's, zonder covalente bindingen die ze met andere nanobuisjes verbinden, terug naar hun oorspronkelijke configuraties.

De experimentatoren wendden zich tot afgestudeerde student Yang Yang van de theoretische groep van Yakobson om het mechanisme te helpen begrijpen waarmee de nanobuisjes met stress omgingen. Yang creëerde op atoomniveau, driewandige computermodellen van elke "letter" en testten hun kracht met virtuele sondes.

"Bij experimenten we krijgen kwantitatief wat er gebeurt, maar ze kunnen ons niet vertellen wat er in de buizen gebeurt, ' zei Tiwary. 'Totdat ze de berekeningen deden, we wisten niet echt hoe koolstofnanobuisverbindingen zich gedroegen."

Het antwoord had te maken met de atomaire geometrie op de kruispunten. Waar nanobuisjes samenkomen, koolstofatomen die normaal gesproken samenkomen in ringen met zes leden, worden vaak gedwongen hun configuratie te veranderen, aanpassen aan vijf- en zevenledige ringen (bekend als dislocaties) om in de laagste energietoestand te blijven.

Het aantal dislocaties dat nodig is om een ​​nanobuisvertakking te maken, is voor elke hoek verschillend. Omdat de dislocaties de dupe worden van de kracht, die variaties bepalen de algehele stijfheid van de nanobuis-letter, bepaalden ze.

Uit eerder onderzoek door de groep van Yakobson bleek dat, terwijl grafeen, de atoomdikke, kippengaas-achtige vorm van koolstof, is buitengewoon sterk, het rekt niet erg goed. Maar de nieuwe simulaties toonden ook aan dat de lokale wanden van de nanobuisjes (die in feite opgerold grafeen zijn) voldoende rekken om de spanning op de kruispunten te verdelen.

Penev suggereerde dat nanobuistapijten van bepaalde letters materiële voordelen zouden kunnen hebben. "Stel je voor dat alle nanobuisjes omgekeerde 'Y'-vormen waren, "zei hij. "Zo'n tapijt zou veel moeilijker te pletten zijn onder druk."

Een vraag is nu of wetenschappers homogene batches brieven kunnen kweken. "Kunnen we alle Y's hebben en ze perfect op elkaar afstemmen? Of kunnen we alle X-interconnecties hebben en dan een structuur maken?" vroeg Tiwary. "Dat wordt de volgende uitdaging, maar het is gewoon een kwestie van mensen die er tijd in steken. Ik ben optimistisch."