Il nuovo processo sviluppato da John Hart del MIT e altri può produrre matrici di forme 3D, basato su nanotubi di carbonio che crescono da una superficie. In questo esempio, tutti i nanotubi sono allineati per curvare nella stessa direzione.
Un team di ricercatori ha creato un nuovo modo di produrre superfici microstrutturate con nuove trame tridimensionali. Queste superfici, realizzato mediante autoassemblaggio di nanotubi di carbonio, potrebbe esibire una varietà di proprietà utili, tra cui rigidità e resistenza meccaniche controllabili, o la capacità di respingere l'acqua in una certa direzione.
"Abbiamo dimostrato che le forze meccaniche possono essere utilizzate per dirigere le nanostrutture per formare complesse microstrutture tridimensionali, e che possiamo controllare in modo indipendente... le proprietà meccaniche delle microstrutture, " dice A. John Hart, il Mitsui Career Development Associate Professor of Mechanical Engineering presso il MIT e autore senior di un articolo che descrive la nuova tecnica sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
La tecnica funziona inducendo i nanotubi di carbonio a piegarsi man mano che crescono. Il meccanismo è analogo alla piegatura di un nastro bimetallico, utilizzato come controllo nei vecchi termostati, mentre si riscalda:un materiale si espande più velocemente di un altro ad esso legato. Ma in questo nuovo processo, il materiale si piega in quanto prodotto da una reazione chimica.
Il processo inizia stampando due modelli su un substrato:uno è un catalizzatore di nanotubi di carbonio; il secondo materiale modifica il tasso di crescita dei nanotubi. Compensando i due schemi, i ricercatori hanno dimostrato che i nanotubi si piegano in forme prevedibili mentre si estendono.
Stampando motivi diversi sul supporto di stampa, questa tecnica può produrre un'ampia varietà di forme 3D complesse. In queste immagini, il motivo stampato iniziale è mostrato sotto forma di diagramma (in alto a sinistra), seguite da immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle singole forme risultanti di nanotubi di carbonio che producono. Le principali immagini SEM mostrano una serie di quelle forme:A, contorto, forme dell'elica; B, semicerchi curvati verso l'esterno; C, deformazione a spirale di microstrutture a parete sottile; e D, un'organizzazione collettiva di forme di piegatura in un motivo ondulato.
"Possiamo specificare queste semplici istruzioni bidimensionali, e far sì che i nanotubi formino forme complesse in tre dimensioni, " dice Hart. Dove i nanotubi che crescono a velocità diverse sono adiacenti, "si spingono e si tirano a vicenda, "produrre forme più complesse, spiega Hart. "È un nuovo principio dell'uso della meccanica per controllare la crescita di un materiale nanostrutturato, " lui dice.
Pochi processi di produzione ad alta produttività possono raggiungere tale flessibilità nella creazione di strutture tridimensionali, dice Hart. Questa tecnica, Aggiunge, è attraente perché può essere utilizzato per creare grandi distese delle strutture contemporaneamente; la forma di ogni struttura può essere specificata progettando il modello di partenza. Hart afferma che la tecnica potrebbe anche consentire il controllo di altre proprietà, come la conducibilità elettrica e termica e la reattività chimica, attaccando vari rivestimenti ai nanotubi di carbonio dopo la loro crescita.
"Se rivesti le strutture dopo il processo di crescita, puoi modificare squisitamente le loro proprietà, " dice Hart. Ad esempio, rivestire i nanotubi con ceramica, utilizzando un metodo chiamato deposizione di strati atomici, permette di controllare le proprietà meccaniche delle strutture. "Quando si deposita un rivestimento spesso, abbiamo una superficie dalla rigidità eccezionale, forza, e tenacità rispetto alla [sua] densità, " spiega Hart. "Quando si deposita uno strato sottile, le strutture sono molto flessibili e resilienti."
Questo approccio può anche consentire "la replica ad alta fedeltà delle intricate strutture che si trovano sulla pelle di alcune piante e animali, "Hart dice, e potrebbe consentire la produzione in serie di superfici con caratteristiche specializzate, come la capacità idrorepellente e adesiva di alcuni insetti. "Siamo interessati a controllare queste proprietà fondamentali utilizzando tecniche di produzione scalabili, "Dice Hart.
Immagini ravvicinate al microscopio di forme di nanotubi di carbonio e illustrazioni dei modelli che le producono. A sinistra, una semplice forma curva, e a destra, forme curve complesse dell'elica, che può essere prodotto da questo metodo di crescita dei nanotubi di carbonio.
Hart afferma che le superfici hanno la durata dei nanotubi di carbonio, che potrebbe consentire loro di sopravvivere in ambienti difficili, e potrebbero essere collegati all'elettronica e funzionare come sensori di segnali meccanici o chimici.
Kevin Turner, un professore associato di ingegneria meccanica e meccanica applicata presso l'Università della Pennsylvania che non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma che questo approccio "è abbastanza nuovo perché consente l'ingegneria di complesse microstrutture 3-D [composte] di nanotubi di carbonio. Approcci tradizionali di microfabbricazione, come modelli e incisioni, generalmente consentono solo la fabbricazione di semplici strutture 3-D che sono essenzialmente modelli 2-D estrusi."
Turner aggiunge, "Un aspetto particolarmente entusiasmante di questo lavoro è che le strutture sono composte da nanotubi di carbonio, che hanno meccanica desiderabile, termico, e proprietà elettriche."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
