I ricercatori della Rice University hanno scoperto che mettere pilastri di nanotubi tra fogli di grafene potrebbe creare strutture ibride con un equilibrio unico di forza, tenacità e duttilità in tutte e tre le dimensioni.

I nanomateriali di carbonio sono ora comuni come fogli piatti, nanotubi e sfere, e se ne stanno studiando l'uso come elementi costitutivi in ​​strutture ibride con proprietà uniche per l'elettronica, trasporto di calore e resistenza. Il team di Rice sta gettando le basi teoriche per tali strutture analizzando come le giunzioni dei blocchi influenzano le proprietà dei materiali desiderati.

Lo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari e l'alunno Navid Sakhavand hanno calcolato come i vari collegamenti, in particolare tra nanotubi di carbonio e grafene, influenzerebbe le proprietà dell'ibrido finale in tutte le direzioni. Hanno scoperto che l'introduzione di giunzioni aggiungerebbe ulteriore flessibilità pur mantenendo quasi la stessa resistenza rispetto ai materiali realizzati con grafene a strati.

I loro risultati appaiono questa settimana sul giornale Carbonio .

I nanotubi di carbonio sono matrici arrotolate di esagoni perfetti di atomi; il grafene è un foglio arrotolato dello stesso. Entrambi sono super potenti ed eccellono nella trasmissione di elettroni e calore. Ma quando i due si uniscono, il modo in cui sono disposti gli atomi può influenzare tutte queste proprietà.

"Alcuni laboratori stanno attivamente cercando di realizzare questi materiali o di misurare proprietà come la forza di singoli nanotubi e fogli di grafene, " Shahsavari ha detto. "Ma vogliamo vedere cosa succede e prevedere quantitativamente le proprietà delle versioni ibride di grafene e nanotubi. Queste strutture ibride conferiscono nuove proprietà e funzionalità che sono assenti nelle loro strutture madri:grafene e nanotubi".

A quello scopo, il laboratorio ha assemblato modelli computerizzati tridimensionali di "nanostrutture di grafene a pilastri, " simile alle strutture di nitruro di boro modellate in uno studio precedente per analizzare il trasferimento di calore tra gli strati.

"Questa volta eravamo interessati a una comprensione completa delle proprietà elastiche e anelastiche dei materiali in carbonio 3-D per testare la loro resistenza meccanica e i meccanismi di deformazione, "Ha detto Shahsavari. "Abbiamo confrontato le nostre strutture ibride 3-D con le proprietà dei fogli di grafene impilati 2-D e dei nanotubi di carbonio 1-D".

I fogli stratificati di grafene mantengono le loro proprietà nel piano, ma mostrano poca rigidità o conduttanza termica da foglio a foglio, Egli ha detto. Ma i modelli di grafene con pilastri hanno mostrato una resistenza e una rigidità di gran lunga migliori e un miglioramento del 42% della duttilità fuori dal piano, la capacità di deformarsi sotto sforzo senza rompersi. Quest'ultimo consente al grafene pillared di esibire una notevole tenacità lungo direzioni fuori dal piano, una caratteristica che non è possibile nei fogli di grafene impilati 2-D o nei nanotubi di carbonio 1-D, ha detto Shahsavari.

I ricercatori hanno calcolato come le energie intrinseche degli atomi costringono gli esagoni ad assumere o perdere atomi negli anelli vicini, a seconda di come si uniscono ai loro vicini. Forzando cinque, sette o anche otto anelli atomici, hanno scoperto che potevano ottenere una misura di controllo sulle proprietà meccaniche dell'ibrido. La rotazione dei nanotubi in modo da forzare le pieghe nei fogli di grafene ha aggiunto ulteriore flessibilità e conformità al taglio, ha detto Shahsavari.

Quando il materiale si è fratturato, i ricercatori hanno scoperto che è molto più probabile che ciò accada negli anelli di otto membri, dove si accumula gran parte dello sforzo quando è stressato. Ciò porta all'idea che gli ibridi possono essere sintonizzati per fallire in circostanze particolari.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha creato una "lente" atomistica così completa per esaminare le proprietà mediate dalla giunzione dei nanomateriali di carbonio 3D, " Ha detto Shahsavari. "Riteniamo che i principi possano essere applicati ad altri materiali a bassa dimensione come il nitruro di boro e il molibdeno/tungsteno o le loro combinazioni".

Shahsavari è un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice.