Enkelwandige koolstofnanobuisjes zouden in theorie extreem sterk moeten zijn, maar het blijft onduidelijk waarom hun experimentele treksterkten lager zijn en variëren tussen nanobuisjes. Een team van de Universiteit van Nagoya, Universiteit van Kyoto, en Aichi Institute of Technology direct de treksterktes van individuele structuurgedefinieerde enkelwandige koolstofnanobuizen gemeten, onthullende belangrijke inzichten in de relatie tussen hun structuur en sterkte.

Koolstofnanobuisjes zijn voorspeld als baanbrekende structurele materialen vanwege hun uitstekende theoretische sterkte per gewicht (figuur 1a). Ze hebben zelfs de bouw van een ruimtelift aangemoedigd, wat onmogelijk is met andere bestaande materialen.

Koolstofnanobuisjes hebben een verscheidenheid aan structuren met verschillende uitlijningen van koolstofatomen. Afhankelijk van het aantal concentrische lagen, koolstofnanobuisjes worden geclassificeerd als enkelwandige of meerwandige nanobuisjes (figuur 1b). Aanvullend, structuren van de concentrische lagen worden gespecificeerd door middel van diameter en chirale hoek (Fig 1c) of een paar gehele getallen (n, m) bekend als chirale indices.

Vanwege de moeilijkheid bij de selectieve synthese van nanobuisjes met enkele structuur, de systematische studies van hun mechanische eigenschappen vereisen de structuurbepaling van elk monster nanobuis. Echter, vanwege hun grootte op nanoschaal en de moeilijkheid om ze te hanteren, de trekproef van "structuurgedefinieerde" enkelwandige koolstofnanobuizen is nog niet bereikt. De eerdere studies hebben aangetoond dat de treksterkte van nanobuisjes van echt koolstof, waaronder meerwandige en structuur-ongedefinieerde enkelwandige koolstofnanobuizen, doorgaans lager is dan het ideale geval. Verder, sterkte varieerde aanzienlijk tussen de gemeten monsters.

Deze verstrooiing vormt een kritisch probleem met betrekking tot hun praktische gebruik in macroscopische structurele materialen zoals garens die zijn samengesteld uit veel koolstofnanobuisjes, omdat hun breuk zal worden geïnitieerd vanaf de zwakste nanobuisjes. Het ontbreken van een systematisch experimenteel onderzoek naar de structuurafhankelijkheid heeft het breukmechanisme van echte koolstofnanobuizen lang verdoezeld, en, daarom, heeft de ontwikkeling van een macroscopisch constructiemateriaal met een ideale sterkte-gewichtsverhouding belemmerd.

Een team van natuurkundigen, chemici, en mechanische ingenieurs ontwierpen de experimentele schema's voor de trekproef van structuurgedefinieerde enkelwandige koolstofnanobuizen (hierna:nanobuisjes genoemd). Individuele nanobuisjes werden gesynthetiseerd over een open spleet op micrometerschaal via chemische dampafzettingsmethoden op omgevingsalcohol (figuur 2a). Breedband Rayleigh-verstrooiingsspectroscopie werd gebruikt om de nanobuisstructuren te bepalen (figuur 2b). Vervolgens, de individuele structuurgedefinieerde nanobuisjes werden opgepakt met een microvork (figuur 2c), en overgebracht naar een zelfgemaakt micro-elektromechanisch systeem (MEMS) -apparaat (Fig. 2d). Elke individuele nanobuis werd opgehangen en vastgehouden tussen een paar monsterstadia die waren verbonden met een micro-load-cell en actuator voor de directe krachtmeting en uniaxiale trekkrachttoepassing, respectievelijk (Fig. 2d). Figuur 2e toont een afbeelding op het moment dat de nanobuis brak tijdens trekbelasting. De kracht werd direct geëvalueerd aan de hand van de gemeten verplaatsing van de loadcell-tafel uitgerust met microveren volgens de wet van Hooke.

Het team slaagde erin de treksterkte van 16 structuurgedefinieerde nanobuisjes te meten. Figuur 3a vat de structuurafhankelijkheid van de gemeten uiteindelijke treksterkte nanobuisjes samen. De sterke punten zijn schijnbaar afhankelijk van zowel de chirale hoek (figuur 3b) als de diameter (figuur 3c) van de nanobuisjes.

Het team vond de duidelijke relatie tussen sterke punten en structuren door richtingen van koolstof-koolstofbindingen te beschouwen tegen de richting van de trekbelasting en spanningsconcentratie bij structurele defecten. Verder, het team ontwikkelde een empirische formule om de sterke punten van de echte nanobuisjes te voorspellen. Deze empirische formule biedt de meest gunstige nanobuisstructuren die selectief moeten worden gesynthetiseerd in de richting van het sterkste materiaal (bovenaan de inhoud). Gelukkig, de voorgestelde typen nanobuisstructuren zijn niet goed beperkt. Hoewel er nog een aantal ernstige problemen zijn, inclusief structuurselectieve synthese van defectloze nanobuisjes, de groei van lange nanobuisjes, en touwen maken die hun kracht behouden, deze bevinding biedt een van de fundamentele inzichten voor het ontwikkelen van supersterke en ultralichte materialen voor gebruik bij de constructie van de veiligste en meest brandstofefficiënte transportapparatuur of massieve architecturale constructies.