Filmerna är skapandet av doktoranden Joseph Romano från höghastighetsvideobilder tagna i Harts elektronmikroskop. De dokumenterar för första gången hur formen på ett kolnanorör förändras när det böjs, vilket ger värdefull ny information för forskare som vill förstå beteendet hos nanorör och designa nya material baserat på dem.
"Detta är de första realtidsobservationerna av böjningen av enskilda kolnanorör", sade Romano, som nyligen presenterade forskningen vid höstmötet i Materials Research Society i Boston. "De öppnar en ny väg för att utforska egenskaperna hos dessa anmärkningsvärda material."
Kolnanorör är vanligtvis några nanometer i diameter och kan vara flera mikrometer långa. Som jämförelse är bredden på ett människohår cirka 50 000 nanometer. På grund av sin lilla storlek har kolnanorör studerats främst med atomkraftsmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi, som båda ger statiska bilder snarare än realtidsvideor.
Hart och Romano utvecklade en ny metod för att fånga videobilder av enskilda kolnanorör med hjälp av ett miljösvepelektronmikroskop (ESEM). ESEM skiljer sig från ett traditionellt svepelektronmikroskop genom att det innehåller en liten kammare fylld med en lågtrycksgas, i detta fall vattenånga. Gasen ger tillräckligt med motstånd mot elektronstrålen för att förhindra att den förångar kolnanorören, vilket gör att de kan avbildas i realtid.
För att göra en film av ett kolnanorör som böjs, hängde Romano ett nanorör över ett litet dike på ett silikonchip och använde sedan en precisionsmanipulator för att trycka på nanoröret. När nanoröret böjde sig spelade Romano in videobilder av processen.
Filmerna avslöjar att kolnanorör böjs på ett unikt sätt. När en gitarrsträng plockas, vibrerar den vid en specifik frekvens, vilket ger en ton. På samma sätt, när ett kolnanorör böjs, vibrerar det med en specifik frekvens. Frekvensen beror på längden och tjockleken på nanoröret samt kraften som appliceras på det.
Genom att analysera filmerna kunde Romano bestämma Youngs modul av kolnanorör, ett mått på deras styvhet. Youngs modul för kolnanorören som Romano studerade visade sig vara cirka 1 teraPascal (TPa), vilket är jämförbart med Youngs modul för diamant, det hårdaste materialet som är känt.
Filmerna ger också nya insikter om de mekaniska egenskaperna hos kolnanorör. De visar till exempel att kolnanorör tål stora mängder böjningar utan att gå sönder, vilket tyder på att de är extremt sega.
De nya forskningsresultaten förväntas få konsekvenser för design och tillämpning av kolnanorörsbaserade material. Till exempel kan kolnanorör användas för att göra ultrastarka fibrer för användning i lätta material eller som sensorer som upptäcker närvaron av specifika kemikalier.
"De potentiella tillämpningarna av kolnanorör är enorma," sa Romano. "Genom att förstå de mekaniska egenskaperna hos dessa material kan vi öppna dörren till nya och innovativa tillämpningar."
