Forskare från Rice University testade styvheten hos enskilda nanorörsövergångar med ett kombinerat svepelektronmikroskop och picoindenter. Det gjorde det möjligt för dem att analysera nanorör i realtid. Kredit:Evgeni Penev/Rice University
Strunt i ABCs. Rice University-forskare som är intresserade av nanorör studerar sina XYΩs.
Kolnanorör som odlas i en ugn är inte alltid raka. Ibland böjer de sig och böjar, och ibland förgrenar de sig åt flera håll. Risforskarna insåg att de nu hade verktygen tillgängliga för att undersöka hur tuffa dessa grenar är.
De använde experiment och simuleringar för att studera styvheten hos sammanfogade nanorör och fann signifikanta skillnader som definieras av deras former. Det visade sig att vissa typer är tuffare än andra, och att alla kan ha sina användningsområden om och när nanorör används för att bygga strukturer i makroskala.
Teamet ledd av Rice material forskaren Pulickel Ajayan och teoretisk fysiker Boris Yakobson döpte sina nanorör för deras former:I för raka nanorör, Y för grenad, X för kovalent sammanfogade rör som korsar, lambdasymbolen (ett upp och nervänt "V") för nanorör som går samman i vilken vinkel som helst och omegasymbolen (Ω) för icke-kovalenta rör som binder genom van der Waals och andra krafter.
De sa att riktad syntes av detta "nanoröralfabet" kan ge material för framtida strukturer i nanoskala med inställbara mekanismer.
Studien publicerades av American Chemical Society's Nanobokstäver .
"Vi behövde något slags språk för att beskriva den specifika konfigurationen av korsningarna, så vi tänkte, "Låt oss använda bokstäver, '" sa Evgeni Penev, en medförfattare och forskare i Yakobsons grupp.
Chandra Sekhar Tiwary, en postdoktor i Ajayan-labbet, knuffade nanorörsövergångarna med en PicoIndenter som mäter kraft och förskjutning i nanonewton (miljarddelar av en newton, en kraftenhet) och nanometer. PicoIndenter installerades på ett svepelektronmikroskop på Hysitron, ett företag för tillverkning och testning av nanomekaniska testinstrument i Minneapolis.
Nanorör odlade av Rice-studenten Sehmus Ozden spreds i en lösning, torkas på kisel och placeras under mikroskopet, där Tiwary skannade dem efter kandidat-"brev". Han var då tvungen att vara säker på att dessa kandidater var enstaka enheter och inte bara två separata nanorör. "Utrymmet mellan rören kunde vara så lite som 1 nanometer men mikroskopets upplösning var 5 nanometer, så vi var tvungna att ta upp ena sidan (av nanorören) för att vara säker på att de verkligen var svetsade, " sa han. "Om nanorören lätt separerade, vi gick vidare till nästa kandidat."
Rice University-forskare använde en picoindenter för att mäta styvheten hos korsningar i ett nanorörs "alfabet". De bestämde att bokstäverna hanterar påfrestningar i varierande grad beroende på deras form. Kredit:Evgeni Penev/Rice University
Att applicera sonden på en viss plats på ett enskilt nanorör var ett tålamodsprov, sa Tiwary. När en bra kandidat dök upp, han och Hysitron senior forskare och medförfattare Sanjit Bhowmick nollade in på korsningen och, över 20 minuter, långsamt applicerade och släppte tillräckligt med tryck för att komprimera den utan att bryta den. "Förr i tiden, dessa tester använde brutalt våld, men de nya verktygen är anmärkningsvärda, " Sa Tiwary. "Vi kunde se när vi komprimerade nanorören."
Bland de atomiskt bundna rören, de fann att X:en var de styvare och mest kapabla att studsa tillbaka till nästan sina ursprungliga former. Därefter kom Y och sedan lambdan med valfri vinkel, men alla lämnades med bucklor på grund av nyskapade länkar mellan innerväggarna. Jag och omega, utan kovalenta bindningar som förenar dem med andra nanorör, återgått till sina ursprungliga konfigurationer.
Experimentalisterna vände sig till doktoranden Yang Yang från Yakobsons teoretiska grupp för att hjälpa till att förstå mekanismen genom vilken nanorören hanterade stress. Yang skapade atomnivå, trippelväggiga datormodeller av varje "bokstav" och testade deras styrka med virtuella sonder.
"I experiment, vi får vad som händer kvantitativt, men de kan inte berätta vad som händer inuti rören, " Sa Tiwary. "Tills de gjorde beräkningarna, vi visste inte riktigt hur kolnanorörsövergångar betedde sig."
En picoindenter närmar sig korsningen av ett grenat nanorör i ett experiment utfört av Rice University-forskare. Forskarna upptäckte att dessa nanorörs "bokstäver" hanterar spänningar i varierande grad beroende på deras form. Kredit:Hysitron
Svaret hade att göra med atomgeometrin vid korsningarna. Där nanorör går samman, kolatomer som normalt kommer samman i sexlediga ringar tvingas ofta ändra sina konfigurationer, anpassning till fem- och sju-ledade ringar (känd som dislokationer) för att förbli i det lägsta energitillståndet.
Antalet dislokationer som krävs för att göra en nanorörsgren är olika för varje vinkel. Eftersom förskjutningarna tar huvuddelen av kraften, dessa variationer bestämmer den totala styvheten hos nanorörsbokstaven, de bestämde.
Tidigare forskning av Yakobsons grupp fann att medan grafen, den atomtjocka, kycklingtrådsliknande form av kol, är utomordentligt stark, den sträcker sig inte särskilt bra. Men de nya simuleringarna visade också att de lokala väggarna i nanorören (som i princip är upprullad grafen) sträcker sig tillräckligt för att fördela belastningen som appliceras på korsningarna.
Penev föreslog att nanorörsmattor av vissa bokstäver kunde ha materiella fördelar. "Föreställ dig om alla nanorören var upp och nervända "Y"-former, sa han. En sådan matta skulle vara mycket svårare att krossa under tryck.
En fråga nu är om forskare kan odla homogena omgångar av bokstäver. "Kan vi ha alla Y och anpassa dem perfekt? Eller kan vi ha alla X sammankopplingar och sedan skapa en struktur?" frågade Tiwary. "Det kommer att bli nästa utmaning, men det är bara en fråga om att folk lägger tid på det. Jag är optimistisk."
