Rendering di un modello di diffusione di raggi X 2D contenente informazioni sulla struttura multiscala di una "foresta" di nanotubi di carbonio (CNT) su quattro ordini di grandezza in scala di lunghezza, una gamma molto più ampia di quella precedentemente raggiunta. Le caratteristiche completamente risolte includono il reticolo grafitico e la distanza tra le pareti degli strati, CNT diametro, Spaziatura CNT e ondulazioni verticali. Credito:Ryan Chen/LLNL
Proprio come i membri di una banda musicale si allineano per un'esibizione, i nanotubi di carbonio creano una configurazione simile.
Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno recentemente utilizzato la diffusione dei raggi X di sincrotrone per catturare completamente la struttura gerarchica in materiali di nanotubi di carbonio auto-organizzati dalla scala atomica a quella micrometrica. Il loro lavoro, recentemente pubblicato nel numero di giugno di ACS Nano , è il primo a mappare continuamente l'ordine strutturale degli insiemi di nanotubi su quattro ordini di grandezza in scala di lunghezza, il tutto utilizzando un'unica tecnica.
Strutture gerarchiche complesse realizzate con allotropi sintetici di nanocarbonio come nanotubi e grafene promettono di trasformare innumerevoli applicazioni in compositi strutturali, nanoelettronica, stoccaggio di energia, filtrazione e separazione. Proprio come la disposizione degli atomi e dei difetti regola classicamente la funzione di un materiale, in modo simile, l'ordine e l'allineamento dei mattoni su scala nanometrica all'interno di un insieme più ampio influenzano fortemente le prestazioni su macroscala del materiale. Una mancanza di completezza, la caratterizzazione strutturale multiscala è stata un collo di bottiglia cruciale per progredire nella sintesi mirata all'applicazione di nanomateriali gerarchici.
"Eravamo interessati a descrivere l'intera struttura delle "foreste" di nanotubi di carbonio allineati su scale di lunghezza notevolmente diverse, che in genere non può essere fatto utilizzando una sola tecnica, come la microscopia convenzionale o la spettroscopia, " ha osservato Eric Meshot, Scienziato LLNL e autore principale dello studio. "La diffusione dei raggi X è potente perché la dimensione della caratteristica indirizzabile è ampiamente sintonizzabile semplicemente in base all'energia dei raggi X in entrata e dove si posiziona il rilevatore per raccogliere i raggi X in uscita".
Struttura ondulata su microscala di una "foresta" di CNT allineata verticalmente rivelata dalla microscopia elettronica (spazio reale) e dai corrispondenti dati di diffusione dei raggi X molli (spazio inverso). Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
Questo approccio ha consentito ai membri del team di tracciare correlazioni tra scale di lunghezza adiacenti, che ha rivelato che la densità di impacchettamento dei nanotubi influenza in definitiva l'allineamento su ogni scala di lunghezza. In particolare, i ricercatori hanno creato un nuovo terreno utilizzando raggi X morbidi (a bassa energia) per risolvere modelli strutturali su microscala che possono emergere lungo la direzione di crescita dei nanotubi. Sorprendentemente, hanno scoperto che questi materiali di nanotubi di carbonio possono formare ondulazioni verticali con un alto ordine su microscala nonostante abbiano un basso ordine su nanoscala.
L'impatto di questo studio va oltre la comprensione fondamentale della struttura. Il team LLNL ha utilizzato la diffusione dei raggi X come una capacità di lavoro per valutare la relazione struttura-prestazioni nelle membrane di nanotubi di carbonio allineate verso la costruzione di indumenti traspiranti che proteggano dalle minacce biologiche. "Caratteristiche strutturali come la distribuzione della dimensione dei pori, la densità dei pori e la tortuosità determinano le prestazioni di trasporto della membrana e possono essere quantificate facilmente con i metodi a raggi X, " ha spiegato Francesco Fornasiero, Scienziato LLNL e ricercatore principale del progetto.
Per questo lavoro, il team ha sfruttato una stretta collaborazione con Advanced Light Source (ALS) e Molecular Foundry. "Vorremmo vedere più di questo tipo di 'impollinazione incrociata' tra le strutture DOE in modo che i nostri utenti possano sfruttare appieno la caratterizzazione strutturale all'avanguardia presso l'ALS per informare la sintesi delle nanostrutture presso la fonderia, " disse Teyve Kuykendall, un ingegnere scientifico principale presso la Molecular Foundry e coautore dello studio.
"Siamo entusiasti di andare avanti per esplorare come possiamo utilizzare gli strumenti di diffusione dei raggi X per decifrare in tempo reale la struttura del materiale in funzione della scala di lunghezza, tempo e chimica tutti insieme, " ha aggiunto Cheng Wang, uno scienziato del personale presso la SLA e coautore di questo lavoro. Questa serie di informazioni sarebbe significativa per stabilire relazioni multiscala struttura-proprietà verso la progettazione e la produzione orientate alle applicazioni.
