Net zoals leden van een fanfare zich opstellen voor een optreden, koolstof nanobuisjes creëren een vergelijkbare configuratie.

Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben onlangs synchrotron-röntgenverstrooiing gebruikt om de hiërarchische structuur volledig vast te leggen in zelfgeorganiseerde koolstofnanobuismaterialen, van atomaire tot micrometerschaal. Hun werk, onlangs gepubliceerd in het juninummer van ACS Nano , is de eerste die continu de structurele volgorde van nanobuisensembles in kaart brengt over vier orden van grootte in lengteschaal, en dat allemaal met één enkele techniek.

Complexe hiërarchische structuren gemaakt van synthetische nanokoolstofallotropen zoals nanobuizen en grafeen beloven talloze toepassingen in structurele composieten te transformeren, nano-elektronica, energie opslag, filtratie en scheiding. Net zoals de rangschikking van atomen en defecten klassiek de functie van een materiaal bepalen, op een vergelijkbare manier beïnvloeden de volgorde en uitlijning van bouwstenen op nanoschaal binnen een groter ensemble de prestaties van het materiaal op macroschaal sterk. Een gebrek aan uitgebreide, structurele karakterisering op meerdere schaal is een cruciaal knelpunt geweest voor vooruitgang in toepassingsgerichte synthese van hiërarchische nanomaterialen.

"We waren geïnteresseerd in het beschrijven van de volledige structuur van uitgelijnde koolstofnanobuis-'bossen' over dramatisch verschillende lengteschalen, wat doorgaans niet met slechts één techniek kan worden gedaan, zoals conventionele microscopie of spectroscopie, " merkte Eric Meshot op, LLNL-wetenschapper en hoofdauteur van het onderzoek. "Röntgenverstrooiing is krachtig omdat de adresseerbare functiegrootte op grote schaal kan worden afgesteld, simpelweg op basis van de binnenkomende röntgenstraling en waar je je detector plaatst om de uitgaande röntgenstralen te verzamelen."

Deze aanpak stelde teamleden in staat om correlaties te trekken tussen aangrenzende lengteschalen, waaruit bleek dat de pakkingsdichtheid van nanobuisjes uiteindelijk de uitlijning op elke lengteschaal beïnvloedt. Opmerkelijk, de onderzoekers sloegen nieuwe wegen in door zachte (energiezuinige) röntgenstralen te gebruiken om structurele patronen op microschaal op te lossen die langs de groeirichting van de nanobuisjes kunnen ontstaan. Verrassend genoeg, ze ontdekten dat deze koolstofnanobuismaterialen verticale ribbels kunnen vormen met een hoge volgorde op microschaal, ondanks dat ze een lage volgorde op nanoschaal hebben.

De impact van deze studie gaat verder dan het fundamentele begrip van structuur. Het LLNL-team heeft röntgenverstrooiing gebruikt als een werkpaard voor het evalueren van de structuur-prestatieverhouding in uitgelijnde koolstofnanobuismembranen voor het bouwen van ademende kledingstukken die beschermen tegen biologische bedreigingen. "Structurele kenmerken zoals poriegrootteverdeling, poriedichtheid en kronkeligheid dicteren membraantransportprestaties en kunnen gemakkelijk worden gekwantificeerd met röntgenmethoden, " legde Francesco Fornasiero uit, LLNL-wetenschapper en de hoofdonderzoeker van het project.

Voor dit werk, het team werkte nauw samen met de Advanced Light Source (ALS) en de Molecular Foundry. "We zouden graag meer van dit soort 'kruisbestuiving' tussen DOE-faciliteiten zien, zodat onze gebruikers de geavanceerde structurele karakterisering bij de ALS volledig kunnen benutten om de synthese van nanostructuren in de Foundry te informeren, " zei Teyve Kuykendall, een hoofdwetenschappelijk ingenieur bij de Molecular Foundry en co-auteur van de studie.

"We zijn verheugd om verder te gaan om te onderzoeken hoe we röntgenverstrooiingstools kunnen gebruiken om in realtime materiaalstructuur te ontcijferen als een functie van lengteschaal, tijd en chemie samen, " voegde Cheng Wang toe, een stafwetenschapper bij de ALS en co-auteur van dit werk. Deze reeks informatie zou van belang zijn voor het tot stand brengen van meerschalige structuur-eigenschapsrelaties in de richting van toepassingsgericht ontwerp en fabricage.