Un team di tre professori di ingegneria meccanica dell'Università del Delaware, più ricercatori di altre tre istituzioni accademiche, stanno collaborando per sviluppare strutture di nanotubi di carbonio tridimensionali (3D).

Sia leggero che forte, i nanotubi di carbonio (CNT) sono considerati un materiale rivoluzionario con molte applicazioni utili grazie alla loro forma unica e all'eccellente meccanica, proprietà elettriche e termiche. Negli ultimi 20 anni, i ricercatori hanno esplorato il loro uso nell'elettronica avanzata, ottiche e materiali strutturali come i compositi.

Mentre molti scienziati hanno studiato i nanomateriali di carbonio in forme mono e bidimensionali per CNT e grafene, rispettivamente, questo è il primo tentativo di creare e utilizzare reti solide di nanotubi di carbonio 3D.

Guidato dalla Rice University, la sovvenzione di $ 7,5 milioni del Dipartimento della Difesa (DOD) è finanziata attraverso l'Iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare (MURI). Il progetto include team di ricercatori di UD, Pennsylvania State University e l'Università del Texas, Dallas.

Jonghwan Suhr, professore assistente di ingegneria meccanica, è l'investigatore principale capo dell'UD sul progetto. I professori Bingqing Wei e X. Lucas Lu fungono da investigatori chiave. Altri partner nella ricerca sono Boeing, il Wright Patterson Air Force Research Laboratory e il Army Research Laboratory.

Ogni membro del team UD apporta una conoscenza unica al progetto. L'esperienza di Suhr risiede nei nanocompositi e nelle strutture composite, mentre la conoscenza di Lu è in biomeccanica. Wei è specializzato nella sintesi di nanomateriali e nell'accumulo di energia. Il finanziamento totale a UD è di $ 1 milione in cinque anni.

“Per applicare la tecnologia dei nanotubi di carbonio in applicazioni macroscopiche o su larga scala, dobbiamo prima sintetizzare e caratterizzare un robusto, nanotubo di carbonio 3D strutturalmente sano, ” spiega Suhr.

Mentre impegnativo, crede che un'architettura 3D renderà i CNT più versatili e potrebbe portare a nuove applicazioni in materiali strutturali leggeri, accumulo di energia e gestione termica.

Un problema chiave che impedisce il loro avanzamento è il fallimento delle articolazioni. I CNT sono costituiti da una complessa disposizione di atomi di carbonio sintetici collegati da giunti. La transizione da un'architettura mono o bidimensionale a un'architettura tridimensionale è fondamentalmente difficile perché i ricercatori devono introdurre giunzioni o giunti su scala atomica tra i singoli elementi su nanoscala in modo che possano essere organizzati in una forte rete 3D.

Suhr e i suoi colleghi dell'UD intendono superare questa limitazione utilizzando nuove tecniche di sintesi di nanomateriali e valutando il nuovo nanomateriale 3D utilizzando teorie biomeccaniche tipicamente applicate alla cartilagine o all'osso.

“I nanotubi di carbonio tridimensionali sono porosi e viscoelastici, simile al tessuto umano. Mentre il tessuto umano è una combinazione di tessuto e fluido, i nanotubi di carbonio sono una combinazione di materiale strutturale e aria, "dice Lu.

Una volta creato, il team UD studierà la risposta elettromeccanica del nanotubo utilizzando emissioni acustiche, onde sonore prodotte dalla struttura, per testare la forza dell'architettura tridimensionale. Dopo aver determinato a quale carico il giunto si rompe, il team può progettare un modo per superare questa mancanza.

"L'obiettivo è creare materiali solidi mediante l'assemblaggio controllato e il legame su scala atomica di elementi su scala nanometrica, portando così a solidi reticolari con proprietà termo-elettromeccaniche notevolmente migliorate, "dice Suhr, che è anche affiliato al Center for Composite Materials di UD.

Se il progetto ha successo, Suhr dice, i ricercatori svilupperanno una comprensione più profonda delle relazioni struttura-proprietà necessarie per ottimizzare e infine commercializzare architetture di nanotubi di carbonio 3D per applicazioni industriali. I materiali nanostrutturati 3D realmente interconnessi forniranno inoltre eccezionali miglioramenti delle proprietà per le applicazioni che supportano iniziative strategiche DOD.

"Questa prestigiosa sovvenzione offre un'eccellente opportunità per Jonghwan e il suo team di creare nuove scoperte fondamentali nell'uso dei nanotubi di carbonio, ” ha osservato Anette Karlsson, presidente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.