(Phys.org) - Som att ta på sig en Supermans kappa, ömtåliga kolnanorör (CNT) aerogeler som täcks av en grafenbeläggning kan omvandlas från ett material som lätt kollapsar under komprimering till ett som kan motstå stora mängder komprimering och helt återställa sin ursprungliga form efter avlägsnande av lasten. Superelasticiteten och trötthetsmotståndet från grafenbeläggningen kan göra CNT -aerogeler användbara inom en mängd olika områden, inklusive som elektroder, konstgjorda muskler, och andra mekaniska konstruktioner.

Forskarna, Kyu Hun Kim, Youngseok Åh, och Mohammad F. Islam vid Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania, har publicerat sitt papper om de mekaniska fördelarna med en grafenbeläggning på CNT -aerogeler i ett nyligen utgåva av Naturnanoteknik .

"Vi demonstrerar transformationen av ett nanorörsnät från bräckligt till superelastiskt helt enkelt genom" nanocoating, ’, Berättade islam Phys.org . "Vanligtvis, beläggning ger korrosionsbeständighet, smörjning, estetik, förändring av ytkemi, tätning, etc., men inte mekanisk egendomsändring. "

Medan en normal gel mest består av flytande material med ett tvärbundet nätverk som ger den sin fasta struktur, en aerogel skapas genom att det flytande materialet i en gel ersätts med en gas. Forskare gör detta genom att torka den ursprungliga gelen vid en kritisk temperatur. Den resulterande aerogelen är ett lätt material tillverkat av 99,9 volymprocent luft, men en som också är torr, stel, och stark som en solid.

I den aktuella studien, forskarna arbetade med CNT aerogels, som (förutom luften) är gjorda av dispergerade nanorör ca 1 mikrometer långa. CNT -aerogeler håller sin form på grund av molekylära interaktioner vid noderna, punkterna där nanorören korsar varandra. Dock, när dessa aerogeler komprimeras med upp till 90% av sin ursprungliga storlek, de kollapsar eller blir permanent deformerade, begränsa potentiella applikationer.

För att övervinna detta problem med oelasticitet, forskarna visade att ett till fem lager av grafenbeläggning gör att en CNT -aerogel klarar mer än 1 miljon tryckcykler och återgår till sin ursprungliga form efter kompressionsfrisättning. Möjligheten att motstå denna kompression förvandlar aerogeler till superelastiska material, samtidigt som de låter dem behålla sina andra egenskaper som porositet och konduktivitet.

Forskarna tror att grafenbeläggningen ger denna superelasticitet till aerogelen genom att stärka aerogelns noder och stag, båda stöder aerogelns nätverksstruktur. I icke-belagda aerogeler, stagarna kan böjas och fritt rotera kring noderna när de komprimeras, vilket ökar kontaktytan mellan nanorör och bildar nya noder. När lasten tas bort, de nya noderna finns kvar eftersom det krävs mer kraft för att ta bort noderna än att bilda dem.

I kontrast, de starkare stagen i grafenbelagda aerogeler kan inte lätt rotera kring noderna när de komprimeras. Även om nya noder också bildas i de belagda aerogelerna, grafenbeläggningen kan ta bort dessa noder när lasten avlägsnas.

"Både CNT-aerogeler och grafenbelagda CNT-aerogeler bildar" nya "noder när de komprimeras, ”Förklarade islam. ”Vi tror att grafen vid noderna komprimeras och skrynklas när de grafenbelagda aerogelerna komprimeras. När lasten tas bort, nanorörets aerogeler återställer inte den ursprungliga formen eftersom det inte finns någon återställande kraft för att "bryta" de nya noder som bildades under komprimering. I kontrast, de komprimerade och skrynkliga grafenflingorna ger återställande kraft (dvs. fungerar som fjädrar) som behövs för att bryta dessa nya noder i grafenbelagda aerogeler. ”

CNT -aerogeler som kan genomgå höga kompressionsnivåer och senare återgå till sina ursprungliga former kan öppna dörrarna för nya aerogelapplikationer. CNT aerogels har redan attraktiva funktioner, såsom den inneboende flexibiliteten för aerogelsyntes som gör att forskare kan kontrollera sina former och storlekar, och superelasticitet gör dessa material ännu mer attraktiva.

“CNT aerogels, särskilt enväggiga kolnanorör (SWCNT) aerogeler, har en hög ytarea, är elektriskt ledande, har stora porer, och har ganska goda värmeavledningsegenskaper om du anser att mängden material i dem verkligen är liten, "Islam sa, tillägger att hans team nyligen har publicerat artiklar om aerogels värme transport egenskaper och en yta nära den teoretiska gränsen. ”På grund av deras egenskaper, CNT -aerogeler kan användas som en byggnadsställning för att göra kompositer, siktar, ultralätta kylflänsar i applikationer med hög gravitation, elektroder, och katalysatorbärare. Vanligtvis, nanorör är oförenliga med polymerer och tenderar att fassegregera. Genom att använda aerogeler som ställning och återfyllning med polymer, nanorör kan förbli väl dispergerade i polymermatrisen. Detta kan avsevärt förbättra den mekaniska förbättringen. ”

Forskarna undersöker för närvarande andra områden av CNT -aerogeler, förutom superelasticitet.

”Vi arbetar för närvarande med några projekt, Sa han. ”Vi använder SWCNT -aerogeler för att göra elektriskt ledande kompositer. Vi undersöker också tillverkning av mekaniskt starka polymerkompositer. Med våra samarbetspartners, vi utforskar de elektrokemiska egenskaperna hos SWCNT aerogeler. Vi odlar metallnanopartiklar på dessa SWCNT -aerogeler för användning som filter för sanering av skadliga kemikalier från vatten. Vi använder dem också som porösa 3D -ledande substrat för vävnadstillväxt.

”Jag tror att modulen och styrkan för dessa nanorörs aerogeler måste förbättras utan att minska porositeten. Som du kan föreställa dig, aerogeler kan göras betydligt starkare genom att bara öka volymfraktionen av nanorör i dem men detta kommer att minska porositeten. ”

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.