Empirisk konturkarta över draghållfastheter i nanorör. Varje par heltal (n, m) på en hexagon identifierar nanorörsstrukturen. Nanorörstrukturer är grovt klassificerade som tre grupper (höger scheman). Bilden till vänster visar ögonblicket för nanorörsbrott under dragprovet.? Kredit:Nagoya University
Enkelväggiga kolnanorör borde teoretiskt sett vara extremt starka, men det är fortfarande oklart varför deras experimentella draghållfastheter är lägre och varierar mellan nanorör. Ett team vid Nagoya University, Kyoto universitet, och Aichi Institute of Technology mätte direkt draghållfastheten hos enskilda strukturdefinierade enväggiga kolnanorör, avslöjar viktiga insikter om förhållandet mellan deras struktur och styrka.
Kolnanorör har förutspåtts som spelförändrande strukturmaterial på grund av deras enastående teoretiska styrka per vikt (Fig. 1a). De har till och med uppmuntrat byggandet av en rymdhiss, vilket är omöjligt med andra befintliga material.
Kolnanorör har en mängd olika strukturer med olika kolatominriktningar. Beroende på antalet koncentriska lager, kolnanorör klassificeras som enkelväggiga eller flerväggiga nanorör (Fig. 1b). Dessutom, strukturer av de koncentriska skikten specificeras av diameter och kiral vinkel (Fig 1c) eller ett par heltal (n, m) kända som kirala index.
På grund av svårigheten med selektiv syntes av nanorör med en enkel struktur, de systematiska studierna av deras mekaniska egenskaper kräver strukturbestämningen av varje prov nanorör. Dock, på grund av deras nanoskala och svårigheter att hantera dem, dragtestet av "strukturdefinierade" enkelväggiga kolnanorör har inte uppnåtts ännu. De tidigare studierna har visat att draghållfastheten hos riktiga kolnanorör, inklusive flerväggiga och strukturdefinierade enväggiga kolnanorör, är vanligtvis lägre än idealfallet. Vidare, hållfastheten varierade avsevärt bland de uppmätta proverna.
Denna spridning utgör ett kritiskt problem när det gäller deras praktiska användning i makroskopiska strukturmaterial, såsom garn som består av många kolnanorör, eftersom deras brott kommer att initieras från de svagaste nanorören. Avsaknaden av en systematisk experimentell studie av strukturberoendet har länge skymt brottmekanismen hos riktiga kolnanorör, och, därför, har hindrat utvecklingen av ett makroskopiskt strukturmaterial med ett idealiskt förhållande mellan styrka och vikt.
Kolnanorör. en teoretisk (röd) och experimentell (blå och gul, som representerar de lägsta och högsta värdena som erhållits i denna studie, respektive) styrka-till-vikt-förhållanden för enkelväggiga kolnanorör, jämfört med de för typiska konstruktionsmaterial. b, c Klassificering av kolnanorör. Kredit:Nagoya University
Ett team av fysiker, apotek, och mekaniska ingenjörer utformade de experimentella scheman för dragprovning av strukturdefinierade enväggiga kolnanorör (nedan, kallas nanorör). Individuella nanorör syntetiserades över en öppen skåra i mikrometerskala via metoder för kemisk ångavsättning av alkohol (Fig. 2a). Bredbands Rayleigh -spridningsspektroskopi användes för att bestämma nanorörstrukturerna (fig. 2b). Sedan, de individuella strukturdefinierade nanorören plockades upp med en mikrogaffel (fig. 2c), och överfördes till en hemgjord mikroelektromekanisk systemanordning (MEMS) (fig. 2d). Varje enskilt nanorör avbröts och hölls mellan ett par provsteg som var anslutna till en mikrolastcell och ställdon för direkt kraftmätning och enaxlig dragkraftsapplikation, (Fig. 2d). Figur 2e visar en bild i det ögonblick då nanoröret spricker under dragbelastning. Kraften utvärderades direkt från den uppmätta förskjutningen av lastcellssteget utrustat med mikrofjädrar enligt Hookes lag.
Teamet lyckades mäta draghållfastheten hos 16 strukturdefinierade nanorörarter. Figur 3a sammanfattar strukturberoendet för de uppmätta slutliga nanorörshållfastheterna. Styrkorna är till synes beroende av både den kirala vinkeln (fig. 3b) och diametern (fig. 3c) för nanorören.
Experimentella procedurer för draghållfasthetsmätning. en individuell nanorör syntetiseras direkt över en öppen slits. b Bredbands-Rayleigh-spridningsspektra för tre nanorörsarter som används för tilldelningen av kiral struktur. c Upptagning av ett individuellt nanorör med en mikrogaffel. d Ställa in ett nanorör på enheten för mikroelektromekaniska system (MEMS). e Bild tagen vid ögonblicket av nanorörsfraktur under dragprovet. Den svarta pilen indikerar riktningen för ställdonets stegrörelse. Figur 3. Strukturberoende av den slutliga draghållfastheten. a Draghållfastheterna för (n, m) nanorör indikeras av cirkeldiametrarna. b, c Draghållfastheterna är ritade som en funktion av den kirala vinkeln (b) och diametern (c). Figur 4. Tydlig relation mellan maximal draghållfasthet och struktur. θ och d är kiral vinkel och diameter, respektive. f (θ) är en faktor med tanke på den effektiva belastningen på kol-kolbindningar. Kvadratrotsberoendet av d tar hänsyn till spänningskoncentrationen vid strukturella defekter. Kredit:Nagoya University
Teamet fann det tydliga sambandet mellan styrkor och strukturer genom att överväga riktningar för kol-kolbindningar mot riktningen för dragbelastningen och spänningskoncentrationen vid strukturella defekter. Vidare, teamet utvecklade en empirisk formel för att förutsäga de verkliga nanorörens styrkor. Denna empiriska formel ger de mest fördelaktiga nanorörsstrukturerna som bör syntetiseras selektivt mot det starkaste materialet (överst på innehållet). Lyckligtvis, de föreslagna typerna av nanorörstrukturer är inte välbegränsade. Även om det kvarstår ett antal allvarliga problem, inklusive strukturselektiv syntes av defektfria nanorör, tillväxten av långa nanorör, och göra rep som håller sin styrka, denna upptäckt ger en av de grundläggande insikterna för att utveckla superstarka och ultralätta material för användning i konstruktionen av den säkraste och mest bränsleeffektiva transportutrustningen eller massiva arkitektoniska strukturer.
