Forskare från Rice University upptäckte att att sätta nanorörpelare mellan grafenark kan skapa hybridstrukturer med en unik styrka, seghet och seghet i alla tre dimensioner.

Kolnanomaterial är vanliga nu som platta ark, nanorör och sfärer, och de ser ut att användas som byggstenar i hybridstrukturer med unika egenskaper för elektronik, värmetransport och styrka. Rice -teamet lägger en teoretisk grund för sådana strukturer genom att analysera hur blockens korsningar påverkar egenskaperna hos de önskade materialen.

Rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari och alumnen Navid Sakhavand beräknade hur olika länkar, särskilt mellan kolnanorör och grafen, skulle påverka den slutliga hybridens egenskaper i alla riktningar. De fann att införandet av korsningar skulle lägga till extra flexibilitet och bibehålla nästan samma styrka jämfört med material av lager grafen.

Deras resultat visas i veckan i tidningen Kol .

Kolnanorör är upprullade uppsättningar av perfekta hexagoner av atomer; grafen är ett utrullat ark av samma. Båda är superstarka och utmärker sig vid överföring av elektroner och värme. Men när de två är sammanfogade, hur atomerna är ordnade kan påverka alla dessa egenskaper.

"Vissa laboratorier försöker aktivt göra dessa material eller mäta egenskaper som styrkan hos enstaka nanorör och grafenark, "Sa Shahsavari." Men vi vill se vad som händer och kvantitativt förutsäga egenskaperna hos hybridversioner av grafen och nanorör. Dessa hybridstrukturer ger nya egenskaper och funktioner som saknas i deras överordnade strukturer - grafen och nanorör. "

För detta ändamål, labbet samlade tredimensionella datormodeller av "pelare grafen-nanostrukturer, "besläktad med bor-nitridstrukturer som modellerats i en tidigare studie för att analysera värmeöverföring mellan skikt.

"Den här gången var vi intresserade av en omfattande förståelse av de elastiska och oelastiska egenskaperna hos 3D-kolmaterial för att testa deras mekaniska hållfasthet och deformationsmekanismer, "Sade Shahsavari." Vi jämförde våra 3D-hybridstrukturer med egenskaperna hos 2-D staplade grafenark och 1-D kolnanorör. "

Skiktade grafenark behåller sina egenskaper i planet, men uppvisar liten styvhet eller termisk konduktans från ark till ark, han sa. Men grafenmodeller med pelare visade mycket bättre styrka och styvhet och en 42 procent förbättring av duktiliteten utanför planet, förmågan att deformeras under stress utan att gå sönder. Den senare tillåter pelaren grafen att uppvisa en anmärkningsvärd seghet längs ut ur planet riktningar, en funktion som inte är möjlig i 2-D staplade grafenark eller 1-D kolnanorör, Sa Shahsavari.

Forskarna beräknade hur atomernas inneboende energier tvingar hexagoner att anta eller förlora atomer till angränsande ringar, beroende på hur de ansluter sig till sina grannar. Genom att tvinga fem, sju eller till och med åtta atomringar, de fann att de kunde få ett mått på kontroll över hybridens mekaniska egenskaper. Vridning av nanorören på ett sätt som tvingade rynkor i grafenarken tillförde ytterligare flexibilitet och skjuvöverensstämmelse, Sa Shahsavari.

När materialet sprack, forskarna fann det mycket mer sannolikt att detta skulle hända vid ringarna med åtta medlemmar, där mycket av belastningen samlas vid stress. Det leder till tanken att hybriderna kan ställas in för att misslyckas under särskilda omständigheter.

"Det här är första gången någon har skapat en så omfattande atomistisk" lins "för att titta på korsningsförmedlade egenskaper hos 3D-kolnanomaterial, "Shahsavari sa." Vi tror att principerna kan tillämpas på andra lågdimensionella material som bornitrid och molybden/volfram eller kombinationer därav. "

Shahsavari är biträdande professor i civil- och miljöteknik och materialvetenskap och nanoengineering på Rice.