I nanotubi di carbonio (CNT) sono strutture tubolari microscopiche che gli ingegneri "crescono" attraverso un processo condotto in un forno ad alta temperatura. Le forze che creano le strutture CNT note come "foreste" sono spesso imprevedibili e sono per lo più lasciate al caso. Ora, un ricercatore dell'Università del Missouri ha sviluppato un modo per prevedere come si formano queste strutture complicate. Comprendendo come vengono creati gli array CNT, progettisti e ingegneri possono incorporare meglio il materiale altamente adattabile in dispositivi e prodotti come mazze da baseball, cablaggio aerospaziale, armatura da combattimento, componenti logici del computer e microsensori utilizzati in applicazioni biomediche.

I CNT sono molto più piccoli della larghezza di un capello umano e formano naturalmente "foreste" quando vengono creati in grandi quantità (vedi foto). Queste foreste, tenuti insieme da una forza adesiva su scala nanometrica nota come forza di van der Waals, sono classificati in base alla loro rigidità o al modo in cui sono allineati. Per esempio, se i CNT sono densi e ben allineati, il materiale tende ad essere più rigido e può essere utile per applicazioni elettriche e meccaniche. Se i CNT sono disorganizzati, tendono ad essere più morbidi e hanno serie di proprietà completamente diverse.

"Gli scienziati stanno ancora imparando come si formano gli array di nanotubi di carbonio, " ha detto Matt Maschmann, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso il College of Engineering della MU. "Man mano che crescono in popolazioni relativamente dense, le forze meccaniche le combinano in assemblaggi orientati verticalmente noti come foreste o array. Le complesse strutture che formano aiutano a dettare le proprietà che le foreste CNT possiedono. Stiamo lavorando per identificare i meccanismi alla base del modo in cui si formano quelle foreste, come controllare la loro formazione e quindi dettare usi futuri per i CNT."

Attualmente, la maggior parte dei modelli che esaminano le foreste CNT analizza cosa succede quando le si comprime o si testano le loro proprietà termiche o di conduttività dopo che si sono formate. Però, questi modelli non tengono conto del processo con cui è stata creata quella particolare foresta e lottano per catturare la struttura forestale CNT realistica.

Gli esperimenti condotti nel laboratorio di Maschmann aiuteranno gli scienziati a comprendere il processo e, in definitiva, a controllarlo, consentendo agli ingegneri di creare foreste di nanotubi con la meccanica desiderata, proprietà termiche ed elettriche. Usa la modellazione per mappare il modo in cui i nanotubi crescono in particolari tipi di foreste prima di tentare di testare le loro proprietà risultanti.

"Il vantaggio di questo approccio è che possiamo mappare come diversi parametri di sintesi, come la temperatura e la dimensione delle particelle del catalizzatore, influenzare il modo in cui si formano i nanotubi e allo stesso tempo testare le foreste CNT risultanti per come si comporteranno in una simulazione completa, " Ha detto Maschmann. "Sono molto incoraggiato dal fatto che il modello predice con successo come si formano e i loro comportamenti meccanici. Sapere come sono organizzati e come si comportano i nanotubi aiuterà gli ingegneri a integrare meglio i CNT in pratica, applicazioni quotidiane."

"Simulazione integrata della crescita della foresta di nanotubi di carbonio attivo e della compressione meccanica, " sarà pubblicato nella prossima edizione della rivista, Carbonio .