Ett team av tre professorer inom maskinteknik vid University of Delaware, plus forskare från tre andra akademiska institutioner, samarbetar för att utveckla tredimensionella (3D) kolnanorörsstrukturer.

Både lätt och stark, kolnanorör (CNT) anses vara ett revolutionerande material med många användbara tillämpningar på grund av sin unika form och utmärkta mekaniska, elektriska och termiska egenskaper. Under de senaste 20 åren, forskare har utforskat deras användning i avancerad elektronik, optik och konstruktionsmaterial såsom kompositer.

Medan många forskare har studerat kolnanomaterial i en- och tvådimensionella former för CNT och grafen, respektive, detta är det första försöket att skapa och använda 3D-kolnanorörsnätverk.

Leds av Rice University, anslaget på 7,5 miljoner dollar från Department of Defense (DOD) finansieras genom Multidisciplinary University Research Initiative (MURI). I projektet ingår team av forskare från UD, Pennsylvania State University och University of Texas, Dallas.

Jonghwan Suhr, biträdande professor i maskinteknik, är UD:s huvudutredare för projektet. Professorerna Bingqing Wei och X. Lucas Lu fungerar som nyckelutredare. Andra partners i forskningen är Boeing, Wright Patterson Air Force Research Laboratory och Army Research Laboratory.

Varje medlem i UD-teamet tar med sig unik kunskap till projektet. Suhrs expertis ligger inom nanokompositer och kompositstrukturer, medan Lus kunskap är inom biomekanik. Wei är specialiserad på syntes av nanomaterial och energilagring. Total finansiering till UD är 1 miljon dollar över fem år.

"För att tillämpa kolnanorörsteknik i makroskopiska eller storskaliga tillämpningar, vi måste först syntetisera och karakterisera en robust, strukturellt sund 3D kol nanorör, ” förklarar Suhr.

Samtidigt utmanande, han tror att en 3D-arkitektur kommer att göra CNT:er mer mångsidiga och kan leda till nya tillämpningar i lätta strukturella material, energilagring och värmehantering.

En nyckelfråga som hindrar deras framsteg är gemensamt misslyckande. CNT är gjorda av ett intrikat arrangemang av syntetiska kolatomer förbundna med leder. Att övergå från en en- eller tvådimensionell arkitektur till en tredimensionell arkitektur är i grunden svårt eftersom forskare måste införa atomiska kopplingar eller skarvar mellan enskilda nanoskalaelement så att de kan organiseras i ett starkt 3D-nätverk.

Suhr och hans UD-kollegor planerar att övervinna denna begränsning genom att använda nya nanomaterialsyntestekniker och utvärdera det nya 3D-nanomaterialet med hjälp av biomekanikteorier som vanligtvis tillämpas på brosk eller ben.

"Tredimensionella kolnanorör är porösa och viskoelastiska, liknande mänsklig vävnad. Medan mänsklig vävnad är en kombination av vävnad och vätska, kolnanorör är en kombination av strukturmaterial och luft, säger Lu.

När den väl skapats, UD-teamet kommer att studera nanorörets elektromekaniska reaktion med hjälp av akustiska emissioner, ljudvågor som skapas av strukturen, för att testa styrkan i den tredimensionella arkitekturen. Efter att ha bestämt vid vilken belastning fogen misslyckas, teamet kan utforma ett sätt att övervinna denna brist.

"Målet är att skapa fasta material genom kontrollerad sammansättning och atomär skala bindning av nanoskala element, vilket leder till nätverksfasta ämnen med anmärkningsvärt förbättrade termo-elektromekaniska egenskaper, säger Suhr, som också är knuten till UD:s Center for Composite Materials.

Om projektet är framgångsrikt, Suhr säger, forskare kommer att utveckla en djupare förståelse för de struktur-egenskapsrelationer som behövs för att optimera och slutligen kommersialisera 3D-kolnanorörsarkitekturer för industriella tillämpningar. Verkligen sammanlänkade 3D nanostrukturerade material kommer också att ge exceptionella egenskapsförbättringar för applikationer som stödjer strategiska DOD-initiativ.

"Detta prestigefyllda bidrag erbjuder en utmärkt möjlighet för Jonghwan och hans team att skapa grundläggande nya genombrott i användningen av kolnanorör, ” anmärkte Anette Karlsson, ordförande för institutionen för maskinteknik.