Superman kan een beroemde diamant maken door een stuk steenkool in zijn hand te verpletteren, maar wetenschappers van Rice University passen een andere tactiek toe.

Wetenschappers van rijstmaterialen maken nanodiamanten en andere vormen van koolstof door nanobuisjes met hoge snelheden tegen een doelwit te slaan. Nanodiamanten maken niemand rijk, maar het proces om ze te maken zal de kennis verrijken van ingenieurs die constructies ontwerpen die bestand zijn tegen schade door botsingen met hoge snelheid.

De diamanten zijn het resultaat van een gedetailleerd onderzoek naar het ballistisch breken van koolstofnanobuisjes bij verschillende snelheden. De resultaten toonden aan dat dergelijke inslagen met hoge energie ervoor zorgden dat atomaire bindingen in de nanobuisjes verbraken en soms recombineerden tot verschillende structuren.

Het werk onder leiding van de laboratoria van materiaalwetenschappers Pulickel Ajayan van Rice en Douglas Galvao van de State University van Campinas, Brazilië, is bedoeld om lucht- en ruimtevaartingenieurs te helpen bij het ontwerpen van ultralichte materialen voor ruimtevaartuigen en satellieten die bestand zijn tegen schokken van projectielen met hoge snelheid zoals micrometeorieten.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste materialen en interfaces .

Weten hoe de atomaire bindingen van nanobuisjes opnieuw gecombineerd kunnen worden, zal wetenschappers aanwijzingen geven om lichtgewicht materialen te ontwikkelen door die bindingen te herschikken. zei co-lead auteur en Rice afgestudeerde student Sehmus Ozden.

"Satellieten en ruimtevaartuigen lopen het risico van verschillende destructieve projectielen, zoals micrometeorieten en orbitaal puin, " zei Ozden. "Om dit soort destructieve schade te voorkomen, we hebben lichtgewicht nodig, flexibele materialen met buitengewone mechanische eigenschappen. Koolstofnanobuisjes kunnen een echte oplossing bieden."

De onderzoekers stopten meerwandige koolstofnanobuisjes in bolvormige pellets en vuurden ze af op een aluminium doelwit in een tweetraps lichtgaskanon bij Rice, en analyseerde vervolgens de resultaten van botsingen met drie verschillende snelheden.

Bij wat de onderzoekers beschouwden als een lage snelheid van 3,9 kilometer per seconde, een groot aantal nanobuisjes bleek intact te blijven. Sommigen overleefden zelfs hogere snelheidseffecten van 5,2 kilometer per seconde. Maar er werden er maar heel weinig gevonden tussen monsters die waren ingeslagen met een hypersnelheid van 6,9 kilometer per seconde. De onderzoekers ontdekten dat veel, zo niet alle, van de nanobuisjes gesplitst in nanolinten, bevestiging van eerdere experimenten.

Co-auteur Chandra Sekhar Tiwary, een postdoctoraal onderzoeker van Rice, merkte op dat de weinige nanobuisjes en nanolinten die de impact overleefden vaak aan elkaar werden gelast, zoals waargenomen in transmissie-elektronenmicroscoopbeelden.

"In ons vorige rapport we hebben aangetoond dat koolstofnanobuisjes grafeen-nanoribbons vormen bij hypervelocity-impact, Tiwary zei. "We verwachtten gelaste koolstofnanostructuren te krijgen, maar we waren ook verrast om nanodiamant te zien."

De oriëntatie van nanobuisjes zowel ten opzichte van elkaar als in relatie tot het doelwit en het aantal buiswanden waren net zo belangrijk voor de uiteindelijke structuren als de snelheid, zei Ajayan.

"Het huidige werk opent een nieuwe manier om materialen van nanoformaat te maken met behulp van hogesnelheidsimpact, " zei mede-hoofdauteur Leonardo Machado van het Braziliaanse team.