(PhysOrg.com) -- Arthur drog ett svärd från en sten, bevisar för ett kungarike att rätt slår makt. Forskare vid Rice University gör samma poäng i nanoskalaområdet.

I detta fall, svärdet är ett flerväggigt kolnanorör och stenen är en pärla av epoxi.

Att veta exakt hur mycket styrka som krävs för att dra nanoröret från pärlan är avgörande för att materialforskare ska utveckla konsten att göra starkare, lättare kompositer för allt från sportartiklar till rymdfarkoster.

Ett team ledd av Jun Lou, en biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Rice, och första författaren Yogeeswaran Ganesan, som nyligen tog sin doktorsexamen i Lous labb, har publicerat en artikel i American Chemical Society-tidskriften Applied Materials and Interfaces som beskriver dess arbete med att mäta gränssnittssegheten hos kolnanorörsförstärkta epoxikompositer.

Lou, Ganesan och deras kollegor har en andra ny tidning in ACS Nano på att använda samma teknik för att mäta effekten av kvävedopning på de mekaniska egenskaperna hos kolnanorör.

Nanorör letar sig in i produkter när tillverkare bygger på sitt rykte om styrka och lätthet. Man kan köpa basebollträn, tennisracketar och dyra cyklar förstärkta med nanorör.

"Kolnanorör är så små (ett hårstrå är 50, 000 gånger bredare) att för att kunna använda dem på mänsklig skala, du måste göra något för att göra dem större, " sa Lou.

Ett sådant sätt är att blanda dem till kompositer, en ofullkomlig vetenskap som involverar mycket försök och fel eftersom gränssnittet mellan varje typ av nanorör och varje typ av basmaterial inte kan förstås väl. Lou och hans team avser att eliminera gissningar med ett sätt att mäta viktiga egenskaper hos en komposit innan den första satsen blandas.

"Du vill inte spendera mycket tid och pengar på en snygg kemisk behandling utan att veta vad som händer vid det kritiska gränssnittet, "Sa Lou.

Enfiberutdragningstester har använts sedan de första dagarna av komposittillverkning för att mäta inte bara styrkan hos en bindning utan när, varför och hur det kommer att gå sönder. Det är svårt på nanoskalan. Andra har använt atomkraftsmikroskop som en del av dragmekanismen, men metoden har sina begränsningar, sa Lou.

Rice-teamet har byggt en bättre enhet:en fjäderbelastad, push-pull mikromekanisk montering på ett kiselchip som gör det möjligt för forskare att dra ett flerväggigt nanorör till en filt av epoxi på ena sidan medan den andra hålls stadigt på plats med ett platinaankare. Att trycka ner fjädern applicerar lika kraft på båda sidor, så att forskare kan se hur mycket som behövs för att dra röret från epoxin.

Teamet rapporterade i den första tidningen att krafter som binder flerväggiga nanorör till en allmän epoxi kallad Epon 828 faktiskt var svagare än de förväntade sig. "Vi har börjat förstå att lägga till nanorör till bulkmaterial inte alltid ger dig bättre egenskaper, "Sade Lou. "Du måste vara väldigt försiktig med hur du lägger till dem och vilket gränssnitt de bildar."

Eftersom partier av nanorör tenderar att hålla ihop, vissa tillverkare funktionaliserar sina ytor för att sprida dem innan de blandas till ett material. "Men det kan störa ytterväggen, och det är en dålig sak, " sa Lou. "Om du gör något för att göra nanorör lätt att sprida sig men minska deras inneboende styrka, du skjuter dig själv i foten."

Å andra sidan, han sa, "Om tillverkare behöver ett tufft material som absorberar energi utan att gå sönder, ett svagare gränssnitt kanske inte är en dålig sak. Under denna utdragningsprocess, det finns mycket friktion vid gränssnittet mellan nanoröret och matrisen, och friktion är effektivt ett sätt att skingra energi."

Ibland blir slutprodukten bättre om nanoröret sträcker sig innan det går sönder. I ACS Nano-papperet, teamet jämförde draghållfastheten hos orörda kontra kvävedopade flerväggiga kolnanorör. De fann att de orörda rören tenderar att knäppa på ett sprött sätt, medan kvävedopade rör uppvisar tecken på plasticitet - "halsning" innan de går sönder.

Det kan vara önskvärt för vissa material, Sa Lou. "Man bygger inte en bro av keramik. Man bygger den av stål på grund av dess plasticitet.

"Om vi ​​kan utveckla en nanorörskomposit med rumstemperaturplasticitet, det kommer att bli fantastiskt, " sade han. "Det kommer att hitta många, många användningsområden."

Lou sa att Rices mångsidiga teknik för att utföra nanomekaniska experiment är redo att hitta många eftersökta svar. "Att utveckla en förmåga att konstruera nanokompositer med mekaniska egenskaper skräddarsydda för specifika applikationer är den ökända heliga gralen för all strukturell nanokompositforskning, ", sa Ganesan. "Tekniken tar oss i huvudsak ett steg närmare att uppnå detta mål."