Precis som medlemmar i ett marschband ställer upp för ett framträdande, kolnanorör skapar en liknande konfiguration.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare använde nyligen synkrotronröntgenspridning för att helt fånga den hierarkiska strukturen i självorganiserade kolnanorörsmaterial från atom- till mikrometerskalan. Deras arbete, nyligen publicerad i juninumret av ACS Nano , är den första som kontinuerligt kartlägger den strukturella ordningen för nanorörsensembler över fyra storleksordningar i längdskala, allt samtidigt som man använder en enda teknik.

Komplexa hierarkiska strukturer gjorda av syntetiska nanokolallotroper som nanorör och grafen lovar att förvandla otaliga tillämpningar i strukturella kompositer, nanoelektronik, energilagring, filtrering och separation. Precis som arrangemanget av atomer och defekter klassiskt styr ett materials funktion, på liknande sätt påverkar ordningen och anpassningen av nanoskala byggstenar inom en större ensemble starkt materialets makroskaliga prestanda. Brist på heltäckande, multiskala strukturell karaktärisering har varit en avgörande flaskhals för framsteg i applikationsriktad syntes av hierarkiska nanomaterial.

"Vi var intresserade av att beskriva hela strukturen av inriktade kolnanorörs 'skogar' över dramatiskt olika längdskalor, som vanligtvis inte kan göras med bara en teknik, såsom konventionell mikroskopi eller spektroskopi, " noterade Eric Meshot, LLNL-forskare och huvudförfattare till studien. "Röntgenspridning är kraftfull eftersom den adresserbara funktionsstorleken är brett avstämbar helt enkelt baserat på den inkommande röntgenenergin och var du placerar din detektor för att samla in de utgående röntgenstrålarna."

Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för teammedlemmar att dra korrelationer mellan intilliggande längdskalor, som avslöjade att packningstätheten hos nanorör i slutändan påverkar inriktningen på varje längdskala. I synnerhet, forskarna skapade ny mark genom att använda mjuka (lågenergi) röntgenstrålar för att lösa strukturella mönster i mikroskala som kan uppstå längs nanorörets tillväxtriktning. Förvånande, de fann att dessa kolnanorörsmaterial kan bilda vertikala korrugeringar med hög mikroskaleordning trots att de har låg nanoskalaordning.

Effekten av denna studie går utöver grundläggande förståelse av struktur. LLNL-teamet har använt röntgenspridning som en arbetshästförmåga för att utvärdera förhållandet mellan struktur och prestanda i linjerade kolnanorörsmembran för att bygga andningsbara plagg som skyddar mot biologiska hot. "Strukturella egenskaper som porstorleksfördelning, por densitet och tortuosity diktera membran transport prestanda och kan enkelt kvantifieras med röntgen metoder, " förklarade Francesco Fornasiero, LLNL-forskare och huvudutredare i projektet.

För detta arbete, teamet utnyttjade ett nära samarbete med Advanced Light Source (ALS) och Molecular Foundry. "Vi skulle vilja se mer av den här typen av "korspollinering" mellan DOE-anläggningar så att våra användare till fullo kan utnyttja banbrytande strukturell karakterisering vid ALS för att informera om nanostruktursyntes vid gjuteriet, " sa Teyve Kuykendall, en huvudingenjör vid Molecular Foundry och medförfattare till studien.

"Vi är glada över att gå vidare för att utforska hur vi kan använda röntgenspridningsverktyg för att dechiffrera materialstruktur i realtid som en funktion av längdskala, tid och kemi tillsammans, " lade Cheng Wang till, en personalvetare vid ALS och medförfattare till detta arbete. Denna samling av information skulle vara betydelsefull för att etablera flerskaliga struktur-egenskapsrelationer mot applikationsorienterad design och tillverkning.