Trots sin lilla storlek och enkla struktur, Kolnanorör - huvudsakligen ark av grafen rullade upp till sugrör - har alla möjliga möjliga användbara egenskaper. Fortfarande, medan deras löfte skymtar stort, hur man fullt ut förverkliga det löftet har visat sig vara något av ett mysterium.
I ett försök att ta bort en del av det mysteriet, forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST), Massachusetts Institute of Technology och University of Maryland har utvecklat banbrytande bildinsamlings- och bearbetningstekniker för att kartlägga strukturen i nanoskala av kolnanorör inuti ett kompositmaterial i 3D. Exakt hur nanorören är fördelade och ordnade i materialet spelar en viktig roll för dess övergripande egenskaper. De nya uppgifterna kommer att hjälpa forskare att studera kompositmaterial för att bygga och testa realistiska datormodeller av material med ett brett utbud av termiska, elektrisk, och mekaniska egenskaper.
Deras forskning presenterades i ACS Nano .
Kolfiberkompositer är vanligtvis uppskattade för sin höga hållfasthet och låga vikt, och kolnanorör (CNT) kompositer (eller nanokompositer), som har fler och mindre kolfilament, visa lovande för hög hållfasthet samt andra egenskaper såsom förmågan att leda värme och el.
Dock, enligt NIST:s Alex Liddle, en författare om studien, medan forskare tidigare på ett tillförlitligt sätt kunde mäta en nanokomposits bulkegenskaper, de visste inte exakt varför olika formuleringar av kompositen hade olika egenskaper.
"Att ta reda på varför dessa material har de egenskaper de har kräver en detaljerad, kvantitativ förståelse av deras komplexa 3D-struktur, " säger Liddle. "Vi behöver inte bara känna till koncentrationen av nanorör utan också deras form och position, och relatera det till materialets egenskaper."
Att se arrangemanget av kolnanorör i ett kompositmaterial är tufft, fastän, eftersom de är omgivna av ett epoxiharts som också är mestadels kolatomer. Även med sofistikerade prober är kontrasten för låg för att mjukvarubildprocessorer ska kunna plocka ut dem enkelt.
I sådana forskningssituationer, du vänder dig till doktorander och postdoktorer som NIST:s Bharath Natarajan, eftersom människor i allmänhet gör fantastiska bildprocessorer. Men att markera tusentals kolnanorör i en bild är väldigt tråkigt, så Natarajan designade en bildbehandlingsalgoritm som kan skilja CNT från ett epoxiharts så bra som han kan. Det lönade sig.
Enligt Liddle, en CNT uttrycker sin fulla potential i styrka och termisk och elektrisk ledningsförmåga när den är utsträckt och rak, men …
"När CNTs suspenderas i ett epoxiharts, de breder ut sig, bunta och vrida till olika former, " säger Liddle. "Vår analys visade att fördelarna med CNT ökar på ett icke-linjärt sätt när deras koncentration ökar. När koncentrationen ökar, CNT kommer i kontakt, öka antalet korsningar, vilket ökar deras elektriska och värmeledningsförmåga, och den fysiska kontakten får dem att anpassa sig till varandra, som rätar ut dem, öka materialets styrka."
Det faktum att en ökning av koncentrationen av CNT förbättrar egenskaperna är inte särskilt förvånande, men nu vet forskarna hur detta påverkar materialens egenskaper och varför tidigare modeller av nanokompositmaterials prestanda aldrig riktigt matchade hur de presterade i praktiken.
"Vi har egentligen bara sett toppen av isberget med avseende på denna klass av material, " säger Liddle. "Det finns alla möjliga sätt som andra forskare kan skära och tärna data för att modellera och så småningom tillverka optimala material för värmehantering, mekanisk förstärkning, energilagring, drogtransport och annan användning."
