Koolstofnanobuisjes, cilindrische moleculen gemaakt van koolstofatomen, behoren tot de sterkste en stijfste materialen die we kennen. Toch laten nieuwe films uit het laboratorium van A. John Hart, de Morris Eminent Professor of Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Delaware, zien dat nanobuisjes kunnen buigen als trage gitaarsnaren.

De films zijn gemaakt door afgestudeerde student Joseph Romano op basis van snelle videobeelden gemaakt in de elektronenmicroscoop van Hart. Ze documenteren voor het eerst hoe de vorm van een koolstofnanobuisje verandert wanneer deze wordt gebogen, wat waardevolle nieuwe informatie oplevert voor wetenschappers die het gedrag van nanobuisjes willen begrijpen en op basis daarvan nieuwe materialen willen ontwerpen.

“Dit zijn de eerste real-time waarnemingen van de buiging van individuele koolstofnanobuisjes”, zegt Romano, die het onderzoek onlangs presenteerde op de najaarsbijeenkomst van de Materials Research Society in Boston. "Ze openen een nieuwe weg voor het onderzoeken van de eigenschappen van deze opmerkelijke materialen."

Koolstofnanobuisjes hebben doorgaans een diameter van enkele nanometers en kunnen enkele micrometers lang zijn. Ter vergelijking:de breedte van een mensenhaar is ongeveer 50.000 nanometer. Vanwege hun kleine formaat zijn koolstofnanobuisjes voornamelijk bestudeerd met atoomkrachtmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie, die beide statische beelden opleveren in plaats van realtime video's.

Hart en Romano ontwikkelden een nieuwe methode voor het vastleggen van videobeelden van individuele koolstofnanobuisjes met behulp van een omgevingsscanning-elektronenmicroscoop (ESEM). De ESEM verschilt van een traditionele scanning-elektronenmicroscoop doordat deze een kleine kamer bevat die gevuld is met een gas onder lage druk, in dit geval waterdamp. Het gas biedt voldoende weerstand tegen de elektronenbundel om te voorkomen dat deze de koolstofnanobuisjes verdampt, waardoor ze in realtime kunnen worden afgebeeld.

Om een ​​filmpje te maken van het buigen van een koolstofnanobuisje, hing Romano een nanobuisje over een kleine greppel aan een siliciumchip en gebruikte vervolgens een precisiemanipulator om op het nanobuisje te duwen. Terwijl de nanobuis kromde, nam Romano videobeelden op van het proces.

De films laten zien dat koolstofnanobuisjes op een unieke manier buigen. Wanneer een gitaarsnaar wordt aangeslagen, trilt deze op een specifieke frequentie en produceert een noot. Op dezelfde manier trilt een koolstofnanobuisje met een specifieke frequentie wanneer het wordt gebogen. De frequentie hangt af van de lengte en dikte van het nanobuisje en van de kracht die erop wordt uitgeoefend.

Door de films te analyseren kon Romano de Young-modulus van koolstofnanobuisjes bepalen, een maatstaf voor hun stijfheid. De Young-modulus van de koolstofnanobuisjes die Romano bestudeerde bleek ongeveer 1 teraPascal (TPa) te zijn, wat vergelijkbaar is met de Young-modulus van diamant, het hardste materiaal dat bekend is.

De films bieden ook nieuwe inzichten in de mechanische eigenschappen van koolstofnanobuisjes. Ze laten bijvoorbeeld zien dat koolstofnanobuisjes grote hoeveelheden buiging kunnen weerstaan ​​zonder te breken, wat aangeeft dat ze extreem sterk zijn.

De nieuwe onderzoeksresultaten zullen naar verwachting implicaties hebben voor het ontwerp en de toepassing van op koolstofnanobuisjes gebaseerde materialen. Koolstofnanobuisjes kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om ultrasterke vezels te maken voor gebruik in lichtgewicht materialen of als sensoren die de aanwezigheid van specifieke chemicaliën detecteren.

“De potentiële toepassingen van koolstofnanobuisjes zijn enorm”, zegt Romano. “Door de mechanische eigenschappen van deze materialen te begrijpen, kunnen we de deur openen naar nieuwe en innovatieve toepassingen.”