Ny process utvecklad av MIT:s John Hart och andra kan producera matriser i 3D-former, baserat på kolnanorör som växer från en yta. I det här exemplet, alla nanorör är anpassade till kurvan i samma riktning.
Ett team av forskare har skapat ett nytt sätt att tillverka mikrostrukturerade ytor som har nya tredimensionella texturer. Dessa ytor, tillverkad genom självmontering av kolnanorör, kan uppvisa en mängd användbara egenskaper - inklusive kontrollerbar mekanisk styvhet och styrka, eller förmågan att avvisa vatten i en viss riktning.
"Vi har visat att mekaniska krafter kan användas för att styra nanostrukturer för att bilda komplexa tredimensionella mikrostrukturer, och att vi oberoende kan styra ... de mekaniska egenskaperna hos mikrostrukturerna, "säger A. John Hart, Mitsui Career Development Docent i maskinteknik vid MIT och seniorförfattare till ett papper som beskriver den nya tekniken i tidskriften Naturkommunikation .
Tekniken fungerar genom att förmå kolnanorör att böja när de växer. Mekanismen är analog med böjningen av en bimetallisk remsa, används som styrning i gamla termostater, när det värms:Ett material expanderar snabbare än ett annat som är bundet till det. Men i denna nya process, materialet böjer sig när det produceras genom en kemisk reaktion.
Processen börjar med att skriva ut två mönster på ett substrat:Det ena är en katalysator för kolnanorör; det andra materialet modifierar tillväxttakten för nanorören. Genom att kompensera de två mönstren, forskarna visade att nanorören böjer sig till förutsägbara former när de sträcker sig.
Genom att skriva ut olika mönster på underlaget, denna teknik kan producera en mängd olika komplexa 3D-former. I dessa bilder, det första tryckta mönstret visas i diagramform (uppe till vänster), följt av skanningselektronmikroskop (SEM) bilder av de individuella resulterande kolnanorörformarna de producerar. De viktigaste SEM -bilderna visar en rad av dessa former:A, vriden, propellerformer; B, utåtriktade halvcirklar; C, rullliknande deformation av tunnväggiga mikrostrukturer; och D, en kollektiv organisation av böjformar i ett vågigt mönster.
"Vi kan specificera dessa enkla tvådimensionella instruktioner, och få nanorören att bilda komplexa former i tre dimensioner, "säger Hart. Där nanorör som växer i olika takt ligger intill varandra, "de trycker och drar i varandra, "att producera mer komplexa former, Hart förklarar. "Det är en ny princip att använda mekanik för att kontrollera tillväxten av ett nanostrukturerat material, " han säger.
Få tillverkningsprocesser med hög genomströmning kan uppnå en sådan flexibilitet när det gäller att skapa tredimensionella strukturer, Säger Hart. Denna teknik, han lägger till, är attraktiv eftersom den kan användas för att skapa stora vidder av strukturerna samtidigt; formen på varje struktur kan specificeras genom att utforma startmönstret. Hart säger att tekniken också kan möjliggöra kontroll av andra fastigheter, såsom elektrisk och värmeledningsförmåga och kemisk reaktivitet, genom att fästa olika beläggningar på kolnanorören när de växer.
"Om du täcker strukturerna efter tillväxtprocessen, du kan utsökt ändra deras egenskaper, "säger Hart. Till exempel, belägga nanorören med keramik, med hjälp av en metod som kallas atomlageravsättning, gör det möjligt att kontrollera konstruktionernas mekaniska egenskaper. "När en tjock beläggning avsätts, vi har en yta med exceptionell styvhet, styrka, och seghet i förhållande till [dess] densitet, "Hart förklarar." När en tunn beläggning deponeras, strukturerna är mycket flexibla och motståndskraftiga. "
Detta tillvägagångssätt kan också möjliggöra "högkvalitativ replikering av de invecklade strukturerna som finns på skalen hos vissa växter och djur, "Hart säger, och skulle kunna göra det möjligt att massproducera ytor med specialiserade egenskaper, såsom vattenavvisande och vidhäftande förmåga hos vissa insekter. "Vi är intresserade av att kontrollera dessa grundläggande egenskaper med hjälp av skalbara tillverkningstekniker, "Säger Hart.
Närbildsmikroskopbilder av kolnanorörsformer och illustrationer av mönstren som producerar dem. Till vänster, en enkel böjd form, och till höger, komplexa böjda propellerformer, som kan produceras med denna tillväxtmetod för kolnanorör.
Hart säger att ytorna har hållbarhet av kolnanorör, som kan tillåta dem att överleva i tuffa miljöer, och kan anslutas till elektronik och fungera som sensorer för mekaniska eller kemiska signaler.
Kevin Turner, en docent i maskinteknik och tillämpad mekanik vid University of Pennsylvania som inte var inblandad i denna forskning, säger att detta tillvägagångssätt "är ganska nytt eftersom det möjliggör konstruktion av komplexa 3D-mikrostrukturer [sammansatta] av kolnanorör. Traditionella mikrofabrikationsmetoder, såsom mönster och etsning, generellt sett tillåter endast tillverkning av enkla 3D-strukturer som i huvudsak är extruderade 2-D-mönster. "
Turner tillägger, "En särskilt spännande aspekt av detta arbete är att strukturerna består av kolnanorör, som har önskvärd mekanisk, termisk, och elektriska egenskaper. "
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
