Integrering av nanoskala fibrer som kolnanorör (CNT) i kommersiella tillämpningar, från beläggningar för flygplansvingar till kylflänsar för mobila datorer, kräver att de produceras i stor skala och till låg kostnad. Kemisk ångavsättning (CVD) är ett lovande tillvägagångssätt för att tillverka CNT i den skala som behövs, men det producerar CNT som är för glesa och kompatibla för de flesta applikationer.

Att applicera och avdunsta några droppar av en vätska som aceton till CNT är lätt, kostnadseffektiv metod för att tätare packa ihop dem och öka deras styvhet, men tills nu, det fanns inget sätt att förutse geometrin för dessa CNT -celler.

MIT-forskare har nu utvecklat en systematisk metod för att förutsäga de tvådimensionella mönstren CNT-grupper bildar efter att de har packats ihop, eller förtätad, genom att avdunsta droppar av antingen aceton eller etanol. CNT -cellstorlek och väggstyvhet växer proportionellt med cellhöjd, de rapporterar i 14 februari -numret av Fysisk kemi Kemisk fysik .

Ett sätt att tänka på detta CNT -beteende är att föreställa sig hur intrasslade fibrer som vått hår eller spaghetti kollektivt förstärker varandra. Ju större denna trassliga region är, desto högre blir motståndet mot böjning. Liknande, längre CNT kan bättre förstärka varandra i en cellvägg. Forskarna finner också att CNT -bindningsstyrkan till basen på vilken de produceras, I detta fall, kisel, ger ett viktigt bidrag till att förutsäga de cellulära mönstren som dessa CNT kommer att bilda.

"Dessa fynd är direkt tillämpliga på industrin eftersom när du använder CVD, du får nanorör som har krökning, slumpmässighet, och är vågiga, och det finns ett stort behov av en metod som enkelt kan mildra dessa defekter utan att bryta banken, "säger Itai Stein SM '13, Ph.D. '16, som är postdoc vid Institutionen för luftfart och astronautik. Medförfattare inkluderar materialvetenskap och ingenjörsexamen Ashley Kaiser, maskinteknik postdoc Kehang Cui, och seniorförfattaren Brian Wardle, professor i luftfart och astronautik.

"Från vårt tidigare arbete med anpassade kolnanorör och deras kompositer, vi lärde oss att tätare packning av CNT är ett mycket effektivt sätt att konstruera deras egenskaper, "säger Wardle." Den utmanande delen är att utveckla ett enkelt sätt att göra detta på skalor som är relevanta för kommersiella flygplan (hundratals meter), och de förutsägbara förmågor som vi utvecklat här är ett stort steg i den riktningen. "

Detaljerade mätningar

Kolnanorör är mycket önskvärda på grund av deras termiska, elektrisk, och mekaniska egenskaper, som är riktningsberoende. Tidigare arbete i Wardles laboratorium visade att vågighet minskar styvheten i CNT -arrays med så lite som 100 gånger, och upp till 100, 000 gånger. Den tekniska termen för denna styvhet, eller förmåga att böja utan att bryta, är elastisk modul. Kolnanorör är från 1, 000 till 10, 000 gånger längre än de är tjocka, så de deformeras huvudsakligen längs deras längd.

För ett tidigare papper publicerat i tidningen Tillämpad fysikbokstäver , Stein och kollegor använde nanoindentationstekniker för att mäta styvheten hos inriktade kolnanorörsarrayer och fann att deras styvhet var 1/1, 000 till 1/10, 000 gånger mindre än den teoretiska styvheten hos enskilda kolnanorör. Ölkrus, Wardle, och den tidigare besökande MIT -doktoranden Hülya Cebeci utvecklade också en teoretisk modell som förklarar förändringar vid olika packningstätheter hos nanofibrerna.

Det nya arbetet visar att CNT komprimeras av kapillärkrafterna från att först väta dem med aceton eller etanol och sedan avdunsta vätskan också producerar CNT som är hundratals till tusentals gånger mindre styva än förväntat av teoretiska värden. Denna kapillär effekt, känd som elastokapillaritet, liknar en hur en svamp ofta torkar till en mer kompakt form efter att ha blivit fuktad och sedan torkad.

"Våra fynd pekar alla på det faktum att CNT -väggmodulen är mycket lägre än det normalt antagna värdet för perfekta CNT eftersom de underliggande CNT -värdena inte är raka, "säger Stein." Våra beräkningar visar att CNT -väggen är minst två storleksordningar mindre styva än vi förväntar oss för raka CNT, så vi kan dra slutsatsen att CNT måste vara vågiga. "

Värme ger styrka

Forskarna använde en uppvärmningsteknik för att öka vidhäftningen av deras original, otätade CNT -matriser till deras kiselskivsubstrat. CNT förtätade efter värmebehandling var ungefär fyra gånger svårare att separera från kiselbasen än obehandlade CNT. Kaiser och Stein, som delar det första författarskapet till tidningen, utvecklar för närvarande en analytisk modell för att beskriva detta fenomen och justera vidhäftningskraften, vilket ytterligare skulle möjliggöra förutsägelse och kontroll av sådana strukturer.

"Många tillämpningar av vertikalt inriktade kolnanorör [VACNTs], såsom elektriska sammankopplingar, kräver mycket tätare matriser av nanorör än vad som vanligtvis erhålls för växande VACNT-syntetiserade genom kemisk ångavsättning, "säger Mostafa Bedewy, biträdande professor vid University of Pittsburgh, som inte var inblandad i detta arbete. "Därav, metoder för förtätning efter växt, såsom de som bygger på att utnyttja elastokapillaritet har tidigare visat sig skapa intressanta förtätade CNT -strukturer. Dock, det finns fortfarande ett behov av en bättre kvantitativ förståelse av de faktorer som styr cellbildning i förtätade storområdesarrayer av VACNT. Den nya studien av författarna bidrar till att tillgodose detta behov genom att tillhandahålla experimentella resultat, i kombination med modelleringsinsikter, korrelerande parametrar såsom VACNT-höjd och VACNT-substratvidhäftning till den resulterande cellulära morfologin efter förtätning.

"Det återstår fortfarande frågor om hur den rumsliga variationen av CNT -densitet, tortuosity [twist], och diameterfördelning över VACNT -höjden påverkar kapillärförtätningsprocessen, särskilt eftersom vertikala gradienter av dessa funktioner kan vara olika när man jämför två VACNT -matriser med olika höjder, "säger Bedewy." Ytterligare arbete med att införliva rumslig kartläggning av intern VACNT -morfologi skulle vara lysande, även om det kommer att vara utmanande eftersom det kräver att kombinera en serie karaktäriseringstekniker. "

Pittoreska mönster

Kaiser, som var 2016 MIT Summer Scholar, analyserade de förtätade CNT-matriserna med skanningelektronmikroskopi (SEM) i MIT Materials Research Laboratory:s NSF-MRSEC-stödda delade experimentella faciliteter. Medan den försiktigt applicerade vätska på CNT -arrays i denna studie fick dem att förtäta till förutsägbara celler, kraftfull nedsänkning av CNT i vätska ger dem mycket starkare krafter, bilda slumpmässigt formade CNT -nät. "När vi först började utforska förtätningsmetoder, Jag fann att denna kraftfulla teknik förtätade våra CNT -arrays till mycket oförutsägbara och intressanta mönster, "säger Kaiser." Sett optiskt och via SEM, dessa mönster liknade ofta djur, ansikten, och till och med ett hjärta - det var lite som att leta efter former i molnen. "En färgad version av hennes optiska bild som visar ett CNT -hjärta finns på omslaget till den 14 februari tryckta upplagan av Fysisk kemi Kemisk fysik .

"Jag tror att det finns en bakomliggande skönhet i denna nanofiber självmontering och förtätningsprocess, förutom dess praktiska tillämpningar, "Tillägger Kaiser." CNT:erna täts så lätt och snabbt till mönster efter att de helt enkelt blivit blöta av en vätska. Att kunna exakt kvantifiera detta beteende är spännande, eftersom det kan möjliggöra design och tillverkning av skalbara nanomaterial. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.