(PhysOrg.com) -- Arthur estrasse una spada da una pietra, dimostrando a un regno che il diritto batte potrebbe. I ricercatori della Rice University stanno facendo lo stesso punto nel regno della nanoscala.

In questo caso, la spada è un nanotubo di carbonio a più pareti e la pietra è una perlina di resina epossidica.

Sapere esattamente quanta forza è necessaria per estrarre il nanotubo dal tallone è essenziale per gli scienziati dei materiali che fanno avanzare l'arte di rendere più forte, compositi più leggeri per qualsiasi cosa, dagli articoli sportivi ai veicoli spaziali.

Una squadra guidata da Jun Lou, un assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Rice, e primo autore Yogeeswaran Ganesan, che ha recentemente conseguito il dottorato nel laboratorio di Lou, ha pubblicato un articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Applied Materials and Interfaces che descrive il suo lavoro per misurare la tenacità dell'interfaccia dei compositi epossidici rinforzati con nanotubi di carbonio.

Lou, Ganesan e i loro colleghi hanno un secondo nuovo documento in ACS Nano sull'utilizzo della stessa tecnica per misurare l'effetto del drogaggio con azoto sulle proprietà meccaniche dei nanotubi di carbonio.

I nanotubi si stanno facendo strada nei prodotti poiché i produttori fanno affidamento sulla loro reputazione di forza e leggerezza. Si possono comprare mazze da baseball, racchette da tennis e biciclette costose rinforzate con nanotubi.

"I nanotubi di carbonio sono così piccoli (una ciocca di capelli è 50, 000 volte più ampio) che per usarli a misura d'uomo, devi fare qualcosa per renderli più grandi, " Ha detto Lu.

Uno di questi è mescolarli in compositi, una scienza imperfetta che comporta molti tentativi ed errori poiché la possibile forza dell'interfaccia tra ogni tipo di nanotubo e ogni tipo di materiale di base non è ben compresa. Lou e il suo team intendono eliminare le congetture con un modo per misurare le proprietà importanti di un composito prima che il primo lotto venga miscelato.

"Non vuoi spendere un sacco di tempo e denaro per un trattamento chimico di fantasia senza sapere cosa sta succedendo nell'interfaccia critica, " Ha detto Lu.

I test di estrazione a fibra singola sono stati utilizzati fin dai primi giorni della produzione di compositi per misurare non solo la forza di un legame ma quando, perché e come si romperà. È difficile su scala nanometrica. Altri hanno usato microscopi a forza atomica come parte del meccanismo di trazione, ma il metodo ha i suoi limiti, ha detto Lou.

Il team di Rice ha costruito un dispositivo migliore:un caricatore a molla, assemblaggio micromeccanico push-pull su un chip di silicio che consente ai ricercatori di legare un nanotubo multiparete a una coltre di resina epossidica su un lato mentre l'altro è tenuto saldamente in posizione con un'ancora di platino. Premendo verso il basso sulla molla si applica una forza uguale su entrambi i lati, consentendo ai ricercatori di vedere quanto è necessario per estrarre il tubo dalla resina epossidica.

Il team ha riportato nel primo articolo che le forze che legano i nanotubi multiparete a una resina epossidica generica chiamata Epon 828 erano in realtà più deboli di quanto si aspettassero. "Abbiamo iniziato a capire che l'aggiunta di nanotubi al materiale sfuso non sempre offre proprietà migliori, " Lou ha detto. "Devi stare molto attento a come li aggiungi e che tipo di interfaccia formano."

Poiché i lotti di nanotubi tendono a restare uniti, alcuni produttori funzionalizzano le loro superfici per disperderle prima di mescolarle in un materiale. "Ma questo può distruggere il muro esterno, ed è una brutta cosa, " disse Lou. "Se fai qualcosa per rendere i nanotubi facilmente disperdibili ma diminuisci la loro forza intrinseca, ti stai sparando ai piedi."

D'altra parte, Egli ha detto, "Se i produttori hanno bisogno di un materiale resistente che assorba energia senza rompersi, un'interfaccia più debole potrebbe non essere una brutta cosa. Durante questo processo di ritiro, c'è molto attrito all'interfaccia tra il nanotubo e la matrice, e l'attrito è effettivamente un modo per dissipare energia."

A volte il prodotto finale è migliore se il nanotubo si allunga prima di rompersi. Nel documento ACS Nano, il team ha confrontato la resistenza alla trazione di nanotubi di carbonio a parete multipla incontaminati rispetto a quelli drogati con azoto. Hanno scoperto che i tubi incontaminati tendono a spezzarsi in modo fragile, mentre i tubi drogati con azoto mostrano segni di plasticità - "strozzatura" prima di rompersi.

Ciò può essere desiderabile per determinati materiali, ha detto Lou. "Non si costruisce un ponte in ceramica. Lo si costruisce in acciaio a causa della sua plasticità.

"Se potessimo sviluppare un composito di nanotubi con plasticità a temperatura ambiente, sarà fantastico, " disse. "Ne troverà molti, molti usi."

Lou ha affermato che la tecnica versatile di Rice per condurre esperimenti nanomeccanici è pronta a trovare molte risposte a lungo ricercate. "Sviluppare la capacità di ingegnerizzare nanocompositi con proprietà meccaniche su misura per applicazioni specifiche è il proverbiale Santo Graal di tutta la ricerca strutturale sui nanocompositi, " Ha detto Ganesan. "La tecnica essenzialmente ci porta un passo avanti verso il raggiungimento di questo obiettivo".