Återspeglar strukturen hos kompositer som finns i naturen och den antika världen, Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har syntetiserat tunna kolnanorörstextilier (CNT) som uppvisar både hög elektrisk ledningsförmåga och en seghetsnivå som är ungefär femtio gånger högre än kopparfilmer, används för närvarande inom elektronik.

"Den strukturella robustheten hos tunna metallfilmer har stor betydelse för tillförlitlig drift av smart hud och flexibel elektronik inklusive biologiska och strukturella hälsoövervakningssensorer, " förklarade Sameh Tawfick, en biträdande professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois. "Anpassade kolnanorörsskivor är lämpliga för ett brett spektrum av applikationer som sträcker sig från mikro- till makroskalor, inklusive Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), superkondensatorelektroder, elektriska kablar, konstgjorda muskler, och multifunktionella kompositer.

"Så vitt vi vet, detta är den första studien som tillämpar principerna för sprickmekanik för att designa och studera seghet nanoarkitekturerade CNT-textilier. Det teoretiska ramverket för brottmekanik har visat sig vara mycket robust för en mängd linjära och icke-linjära material."

Kolnanorör, som har funnits sedan början av nittiotalet, har hyllats som ett "undermaterial" för många nanoteknologiska tillämpningar, och med rätta. Dessa små cylindriska strukturer gjorda av inslagna grafenark har en diameter på några nanometer - ungefär 1000 gånger tunnare än ett människohår, än, ett enda kolnanorör är starkare än stål och kolfibrer, mer ledande än koppar, och lättare än aluminium.

Dock, det har visat sig vara väldigt svårt att konstruera material, såsom tyger eller filmer som visar dessa egenskaper på centimeter- eller meterskala. Utmaningen härrör från svårigheten att sätta ihop och väva CNT eftersom de är så små, och deras geometri är mycket svår att kontrollera.

"Studien av brottenergin hos CNT-textilier fick oss att designa dessa extremt tuffa filmer, " sa Yue Liang, en före detta doktorand med Kinetic Materials Research-gruppen och huvudförfattare till artikeln, "Tuff nanoarkitekturerad ledande textil tillverkad av kapillärskarvning av kolnanorör, " dyker upp i Avancerat tekniskt material . Så vitt vi vet, detta är den första studien av brottenergin hos CNT-textilier.

Börjar med katalysator avsatt på ett kiseloxidsubstrat, vertikalt inriktade kolnanorör syntetiserades via kemisk ångavsättning i form av parallella linjer med 5? μm bredd, 10?μm längd, och 20-60?μm höjder.

"Det förskjutna katalysatormönstret är inspirerat av designmotivet av tegel och murbruk som vanligtvis ses i tuffa naturmaterial som ben, pärlemor, havssvampen i glas, och bambu, ", tillade Liang. "Letar efter sätt att häfta ihop CNTs, vi inspirerades av skarvningsprocessen som utvecklades av forntida egyptier 5, 000 år sedan för att göra linnetextilier. Vi provade flera mekaniska tillvägagångssätt inklusive mikrovalsning och enkel mekanisk kompression för att samtidigt omorientera nanorören, sedan, till sist, vi använde de självdrivna kapillärkrafterna för att häfta ihop CNTs."

"Detta arbete kombinerar noggrann syntes, och känsliga experiment och modellering, " Sa Tawfick. "Flexibel elektronik är föremål för upprepade böjningar och sträckningar, vilket kan orsaka deras mekaniska fel. Denna nya CNT-textil, med enkel flexibel inkapsling i en elastomermatris, kan användas i smarta textilier, smarta skinn, och en mängd flexibel elektronik. På grund av deras extremt höga seghet, de representerar ett attraktivt material, som kan ersätta tunna metallfilmer för att förbättra enhetens tillförlitlighet."

Förutom Liang och Tawfick, medförfattare inkluderar David Sias och Ping Ju Chen.