Vad är 100 gånger starkare än stål, väger en sjättedel så mycket och kan knäppas som en kvist av en liten luftbubbla? Svaret är ett kolnanorör - och en ny studie av forskare från Rice University beskriver exakt hur de mycket studerade nanomaterialen knäpper när de utsätts för ultraljudsvibrationer i en vätska.

"Vi finner att det gamla talesättet "Jag kommer att bryta men inte böja mig" inte håller på mikro- och nanoskala, " sa Rice ingenjörsforskare Matteo Pasquali, huvudforskaren i studien, som visas denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kolnanorör - ihåliga rör av rent kol ungefär lika breda som en DNA-sträng - är ett av de mest studerade materialen inom nanoteknik. I mer än ett decennium, forskare har använt ultraljudsvibrationer för att separera och förbereda nanorör i labbet. I den nya studien, Pasquali och kollegor visar hur denna process fungerar - och varför det är en nackdel för långa nanorör. Det är viktigt för forskare som vill göra och studera långa nanorör.

"Vi fann att långa och korta nanorör beter sig väldigt olika när de sonikeras, sa Pasquali, professor i kemi- och biomolekylär teknik och i kemi vid Rice. "Kortare nanorör sträcks ut medan längre nanorör böjs. Båda mekanismerna kan leda till att de går sönder."

Upptäcktes för mer än 20 år sedan, Kolnanorör är ett av nanoteknologins ursprungliga underverk. De är nära kusiner till buckyball, partikeln vars upptäckt 1985 vid Rice hjälpte till att starta nanoteknologirevolutionen.

Nanorör kan användas i målningsbara batterier och sensorer, att diagnostisera och behandla sjukdomar, och för nästa generations kraftkablar i elnät. Många av de optiska och materiella egenskaperna hos nanorör upptäcktes vid Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, och den första storskaliga produktionsmetoden för att göra enkelväggiga nanorör upptäcktes på Rice av institutets namne, framlidne Richard Smalley.

"Att bearbeta nanorör i vätskor är industriellt viktigt men det är ganska svårt eftersom de tenderar att klumpa ihop sig, ", sa medförfattaren Micah Green. "Dessa nanorörsklumpar kommer inte att lösas upp i vanliga lösningsmedel, men sonikering kan bryta isär dessa klumpar för att separera, dvs. skingra, nanorören."

Nyväxta nanorör kan vara tusen gånger längre än de är breda, och även om sonikering är mycket effektivt för att bryta upp klumpar, det gör också nanorören kortare. Faktiskt, forskare har utvecklat en ekvation som kallas "maktlag" som beskriver hur dramatisk denna förkortning kommer att bli. Forskare matar in ultraljudseffekten och hur lång tid provet kommer att sonikeras, och kraftlagen berättar för dem den genomsnittliga längden på de nanorör som kommer att produceras. Nanorören blir kortare när kraften och exponeringstiden ökar.

"Problemet är att det finns två olika maktlagar som matchar separata experimentella fynd, och en av dem ger en längd som är mycket kortare än den andra, " Sa Pasquali. "Det är inte så att den ena är korrekt och den andra är fel. Var och en har verifierats experimentellt, så det är en fråga om att förstå varför. Philippe Poulin avslöjade först denna diskrepans i litteraturen och uppmärksammade mig på problemet när jag besökte hans labb för tre år sedan."

För att undersöka denna diskrepans, Pasquali och studiemedförfattare Guido Pagani, Micah Green och Poulin bestämde sig för att noggrant modellera interaktionerna mellan nanorören och ultraljudsbubblorna. Deras datormodell, som kördes på Rice's Cray XD1 superdator, använde en kombination av vätskedynamiktekniker för att exakt simulera interaktionen. När teamet körde simuleringarna, de fann att längre rör betedde sig mycket annorlunda än sina kortare motsvarigheter.

"Om nanoröret är kort, ena änden kommer att dras ner av den kollapsande bubblan så att nanoröret är riktat mot bubblans mitt, " sa Pasquali. "I det här fallet, röret böjer sig inte, utan snarare sträcker sig. Detta beteende hade tidigare förutspåtts, men vi upptäckte också att långa nanorör gjorde något oväntat. Modellen visade hur den kollapsande bubblan drog längre nanorör inåt från mitten, böjer dem och knäpper dem som kvistar."

Pasquali sa att modellen visar hur båda kraftlagarna kan vara korrekta:Den ena beskriver en process som påverkar längre nanorör och en annan beskriver en process som påverkar kortare.

"Det krävdes lite flexibilitet för att förstå vad som hände, " Sa Pasquali. "Men resultatet är att vi har en mycket exakt beskrivning av vad som händer när nanorör sonikeras."