Het integreren van vezels op nanoschaal, zoals koolstofnanobuizen (CNT's) in commerciële toepassingen, van coatings voor vliegtuigvleugels tot koellichamen voor mobiel computergebruik, vereist dat ze op grote schaal en tegen lage kosten worden geproduceerd. Chemische dampafzetting (CVD) is een veelbelovende benadering om CNT's op de benodigde schaal te vervaardigen, maar het produceert CNT's die te schaars en compliant zijn voor de meeste toepassingen.

Het aanbrengen en verdampen van een paar druppels vloeistof zoals aceton op de CNT's is een gemakkelijke, kosteneffectieve methode om ze steviger samen te pakken en hun stijfheid te vergroten, maar tot nu toe, er was geen manier om de geometrie van deze CNT-cellen te voorspellen.

MIT-onderzoekers hebben nu een systematische methode ontwikkeld om de tweedimensionale patronen te voorspellen die CNT-arrays vormen nadat ze samen zijn verpakt, of verdicht, door druppels aceton of ethanol te verdampen. CNT-celgrootte en wandstijfheid groeien evenredig met de celhoogte, ze rapporteren in het nummer van 14 februari van Fysische chemie Chemische fysica .

Een manier om aan dit CNT-gedrag te denken, is door je voor te stellen hoe verstrengelde vezels zoals nat haar of spaghetti elkaar collectief versterken. Hoe groter dit verstrengelde gebied, hoe hoger de weerstand tegen buigen zal zijn. evenzo, langere CNT's kunnen elkaar in een celwand beter versterken. De onderzoekers vinden ook dat CNT-bindingssterkte aan de basis waarop ze zijn geproduceerd, in dit geval, silicium, levert een belangrijke bijdrage aan het voorspellen van de cellulaire patronen die deze CNT's zullen vormen.

"Deze bevindingen zijn direct van toepassing op de industrie, want als je CVD gebruikt, je krijgt nanobuisjes met kromming, willekeurigheid, en zijn golvend, en er is grote behoefte aan een methode die deze gebreken gemakkelijk kan verminderen zonder de bank te breken, " zegt Itai Stein SM '13, doctoraat '16, die een postdoc is bij de afdeling Lucht- en Ruimtevaart. Co-auteurs zijn onder meer afgestudeerde student materiaalkunde en techniek Ashley Kaiser, werktuigbouwkunde postdoc Kehang Cui, en senior auteur Brian Wardle, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart.

"Uit ons eerdere werk aan uitgelijnde koolstofnanobuizen en hun composieten, we hebben geleerd dat een strakkere verpakking van de CNT's een zeer effectieve manier is om hun eigenschappen te ontwikkelen, ", zegt Wardle. "Het uitdagende deel is om een ​​gemakkelijke manier te ontwikkelen om dit te doen op schalen die relevant zijn voor commerciële vliegtuigen (honderden meters), en de voorspellende mogelijkheden die we hier hebben ontwikkeld, zijn een grote stap in die richting."

Gedetailleerde metingen

Koolstofnanobuisjes zijn zeer wenselijk vanwege hun thermische, elektrisch, en mechanische eigenschappen, die richtingsafhankelijk zijn. Eerder werk in het laboratorium van Wardle toonde aan dat golving de stijfheid van CNT-arrays met slechts 100 keer vermindert, en tot 100, 000 keer. De technische term voor deze stijfheid, of het vermogen om te buigen zonder te breken, elasticiteitsmodulus is. Koolstof nanobuisjes zijn van 1, 000 tot 10, 000 keer langer dan ze dik zijn, dus vervormen ze voornamelijk langs hun lengte.

Voor een eerder artikel gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , Stein en collega's gebruikten nano-indentatietechnieken om de stijfheid van uitgelijnde koolstofnanobuisarrays te meten en ontdekten dat hun stijfheid 1/1 was, 000 tot 1/10, 000 keer minder dan de theoretische stijfheid van individuele koolstofnanobuisjes. Steen, Wardle, en voormalig MIT-afgestudeerde student Hülya Cebeci ontwikkelde ook een theoretisch model dat veranderingen bij verschillende pakkingsdichtheden van de nanovezels verklaart.

Het nieuwe werk laat zien dat CNT's die worden verdicht door de capillaire krachten door ze eerst te bevochtigen met aceton of ethanol en vervolgens de vloeistof te verdampen, ook CNT's produceren die honderden tot duizenden keren minder stijf zijn dan verwacht door theoretische waarden. Dit capillaire effect, bekend als elastocapillariteit, is vergelijkbaar met hoe een spons vaak in een compactere vorm opdroogt nadat hij is bevochtigd en vervolgens is gedroogd.

"Onze bevindingen wijzen allemaal op het feit dat de CNT-wandmodulus veel lager is dan de normaal aangenomen waarde voor perfecte CNT's omdat de onderliggende CNT's niet recht zijn, ", zegt Stein. "Onze berekeningen tonen aan dat de CNT-muur minstens twee ordes van grootte minder stijf is dan we verwachten voor rechte CNT's, dus we kunnen concluderen dat de CNT's golvend moeten zijn."

Warmte voegt kracht toe

De onderzoekers gebruikten een verwarmingstechniek om de hechting van hun originele, onverdichte CNT-arrays op hun siliciumwafelsubstraat. CNT's verdicht na warmtebehandeling waren ongeveer vier keer moeilijker te scheiden van de siliciumbasis dan onbehandelde CNT's. Keizer en Stein, die het eerste auteurschap van het papier delen, ontwikkelen momenteel een analytisch model om dit fenomeen te beschrijven en de adhesiekracht af te stemmen, wat de voorspelling en controle van dergelijke structuren verder mogelijk zou maken.

"Veel toepassingen van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen [VACNT's], zoals elektrische verbindingen, vereisen veel dichtere arrays van nanobuisjes dan wat typisch wordt verkregen voor als-gegroeide VACNT's die worden gesynthetiseerd door chemische dampafzetting, " zegt Mostafa Bedewy, assistent-professor aan de Universiteit van Pittsburgh, die niet bij dit werk betrokken was. "Vandaar, methoden voor nagroeiverdichting, zoals die gebaseerd op het benutten van elastocapillariteit, is eerder aangetoond dat ze interessante verdichte CNT-structuren creëren. Echter, er is nog steeds behoefte aan een beter kwantitatief begrip van de factoren die celvorming bepalen in verdichte arrays van VACNT's met een groot oppervlak. De nieuwe studie van de auteurs draagt ​​bij aan het voorzien in deze behoefte door experimentele resultaten te leveren, gekoppeld aan modelleringsinzichten, correleren parameters zoals VACNT-hoogte en VACNT-substraatadhesie aan de resulterende cellulaire morfologie na verdichting.

"Er zijn nog steeds vragen over hoe de ruimtelijke variatie van CNT-dichtheid, kronkeligheid [draai], en diameterverdeling over de VACNT-hoogte beïnvloedt het capillaire verdichtingsproces, vooral omdat verticale gradiënten van deze kenmerken kunnen verschillen bij het vergelijken van twee VACNT-arrays met verschillende hoogten, " zegt Bedewy. "Verder werk met het in kaart brengen van de interne VACNT-morfologie zou verhelderend zijn, hoewel het een uitdaging zal zijn omdat het een combinatie van karakteriseringstechnieken vereist."

Pittoreske patronen

keizer, die een 2016 MIT Summer Scholar was, analyseerde de verdichte CNT-arrays met scanning-elektronenmicroscopie (SEM) in de door NSF-MRSEC ondersteunde Shared Experimental Facilities van het MIT Materials Research Laboratory. Terwijl het zachtjes aanbrengen van vloeistof op de CNT-arrays in dit onderzoek ervoor zorgde dat ze verdichtten tot voorspelbare cellen, het krachtig onderdompelen van de CNT's in vloeistof geeft ze veel sterkere krachten, het vormen van willekeurig gevormde CNT-netwerken. "Toen we voor het eerst begonnen met het verkennen van verdichtingsmethoden, Ik ontdekte dat deze krachtige techniek onze CNT-arrays verdichtte tot zeer onvoorspelbare en interessante patronen, ", zegt Kaiser. "Optisch gezien en via SEM, deze patronen leken vaak op dieren, gezichten, en zelfs een hart - het leek een beetje op het zoeken naar vormen in de wolken." Een ingekleurde versie van haar optische afbeelding met een CNT-hart staat op de omslag van de gedrukte editie van 14 februari van Fysische chemie Chemische fysica .

"Ik denk dat er een onderliggende schoonheid is in dit proces van zelfassemblage en verdichting van nanovezels, naast de praktische toepassingen, Kaiser voegt toe. "De CNT's verdichten zo gemakkelijk en snel in patronen nadat ze simpelweg nat zijn gemaakt door een vloeistof. Dit gedrag nauwkeurig kunnen kwantificeren is opwindend, omdat het het ontwerp en de fabricage van schaalbare nanomaterialen mogelijk maakt."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.