Kolnanorör (CNT) är mikroskopiska rörformiga strukturer som ingenjörer "växer" genom en process som utförs i en högtemperaturugn. De krafter som skapar CNT -strukturerna som kallas "skogar" är ofta oförutsägbara och lämnas mestadels till slumpen. Nu, en forskare från University of Missouri har utvecklat ett sätt att förutsäga hur dessa komplicerade strukturer bildas. Genom att förstå hur CNT -matriser skapas, designers och ingenjörer kan bättre integrera det mycket anpassningsbara materialet i enheter och produkter som basebollträn, flygledning, stridsdelar, datorlogikkomponenter och mikrosensorer som används i biomedicinska tillämpningar.

CNT är mycket mindre än bredden på ett människohår och bildar naturligt "skogar" när de skapas i stort antal (se foto). Dessa skogar, hålls samman av en nanoskala vidhäftningskraft som kallas van der Waals -kraften, kategoriseras utifrån deras stelhet eller hur de är anpassade. Till exempel, om CNT:er är täta och väljusterade, materialet tenderar att vara styvare och kan vara användbart för elektriska och mekaniska applikationer. Om CNT:er är oorganiserade, de tenderar att vara mjukare och har helt olika egenskaper.

"Forskare lär sig fortfarande hur kolnanorörsarrayer bildas, "sa Matt Maschmann, biträdande professor i maskin- och rymdteknik vid Ingenjörshögskolan vid MU. "När de växer i relativt täta populationer, mekaniska krafter kombinerar dem till vertikalt orienterade sammansättningar som kallas skogar eller arrays. De komplexa strukturer de bildar hjälper till att diktera de egenskaper CNT -skogarna besitter. Vi arbetar med att identifiera mekanismerna bakom hur dessa skogar bildas, hur man kontrollerar deras bildning och därmed dikterar framtida användningar för CNT."

För närvarande, de flesta modeller som undersöker CNT -skogar analyserar vad som händer när du komprimerar dem eller testar deras värme- eller konduktivitetsegenskaper efter att de har bildats. Dock, dessa modeller tar inte hänsyn till processen genom vilken den speciella skogen skapades och kämpar för att fånga realistisk CNT-skogsstruktur.

Experiment utförda i Maschmanns laboratorium hjälper forskare att förstå processen och i slutändan hjälpa till att kontrollera den, tillåter ingenjörer att skapa nanorörsskogar med önskad mekanisk, termiska och elektriska egenskaper. Han använder modellering för att kartlägga hur nanorör växer in i vissa typer av skogar innan han försöker testa deras resulterande egenskaper.

"Fördelen med detta tillvägagångssätt är att vi kan kartlägga hur olika syntesparametrar, såsom temperatur och katalysatorpartikelstorlek, påverka hur nanorör bildas samtidigt som man testar de resulterande CNT-skogarna för hur de kommer att bete sig i en omfattande simulering, " Sa Maschmann. "Jag är mycket uppmuntrad att modellen framgångsrikt förutsäger hur de formas och deras mekaniska beteenden. Att veta hur nanorör är organiserade och beter sig kommer att hjälpa ingenjörer att bättre integrera CNT i praktiken, vardagliga applikationer. "

"Integrerad simulering av aktivt kol nanorör skogstillväxt och mekanisk komprimering, " kommer att publiceras i den kommande upplagan av tidskriften, Kol .