Integrazione di fibre su scala nanometrica come i nanotubi di carbonio (CNT) in applicazioni commerciali, dai rivestimenti per le ali degli aerei ai dissipatori di calore per il mobile computing, richiede che vengano prodotti su larga scala e a basso costo. La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un approccio promettente per la produzione di CNT nelle scale necessarie, ma produce CNT troppo scarsi e conformi per la maggior parte delle applicazioni.

Applicare ed evaporare alcune gocce di un liquido come l'acetone sui CNT è un'operazione facile, metodo economico per imballarli più strettamente insieme e aumentare la loro rigidità, ma fino ad ora, non c'era modo di prevedere la geometria di queste cellule CNT.

I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un metodo sistematico per prevedere i modelli bidimensionali che gli array CNT si formano dopo che sono stati impacchettati insieme, o denso, evaporando gocce di acetone o etanolo. Le dimensioni delle cellule CNT e la rigidità della parete crescono proporzionalmente all'altezza delle cellule, riferiscono nel numero del 14 febbraio di Chimica Fisica Fisica Chimica .

Un modo per pensare a questo comportamento dei CNT è immaginare come le fibre aggrovigliate come i capelli bagnati o gli spaghetti si rafforzino collettivamente a vicenda. Più grande è questa regione entangled, maggiore sarà la sua resistenza alla flessione. Allo stesso modo, CNT più lunghi possono rinforzarsi meglio l'un l'altro in una parete cellulare. I ricercatori hanno anche scoperto che la forza di legame dei CNT alla base su cui sono prodotti, in questo caso, silicio, fornisce un importante contributo alla previsione dei modelli cellulari che formeranno questi CNT.

"Questi risultati sono direttamente applicabili all'industria perché quando si utilizza CVD, ottieni nanotubi che hanno curvatura, casualità, e sono ondulate, e c'è un grande bisogno di un metodo che possa facilmente mitigare questi difetti senza spendere troppo, " dice Itai Stein SM '13, dottorato di ricerca '16, che è un postdoc presso il Dipartimento di Aeronautica e Astronautica. I coautori includono la studentessa laureata in scienze dei materiali e ingegneria Ashley Kaiser, postdottorato in ingegneria meccanica Kehang Cui, e l'autore senior Brian Wardle, professore di aeronautica e astronautica.

"Dal nostro precedente lavoro sui nanotubi di carbonio allineati e sui loro compositi, abbiamo appreso che imballare più strettamente i CNT è un modo molto efficace per progettare le loro proprietà, " dice Wardle. "La parte difficile è sviluppare un modo semplice per farlo a scale rilevanti per gli aerei commerciali (centinaia di metri), e le capacità predittive che abbiamo sviluppato qui sono un grande passo in quella direzione".

Misure dettagliate

I nanotubi di carbonio sono altamente desiderabili a causa della loro termica, elettrico, e proprietà meccaniche, che dipendono dalla direzione. Il lavoro precedente nel laboratorio di Wardle ha dimostrato che l'ondulazione riduce la rigidità degli array CNT di appena 100 volte, e fino a 100, 000 volte. Il termine tecnico per questa rigidità, o capacità di piegarsi senza rompersi, è il modulo elastico. I nanotubi di carbonio sono da 1, 000 a 10, 000 volte più lunghi di quanto siano spessi, quindi si deformano principalmente lungo la loro lunghezza.

Per un precedente articolo pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata , Stein e colleghi hanno utilizzato tecniche di nanoindentazione per misurare la rigidità di array di nanotubi di carbonio allineati e hanno scoperto che la loro rigidità è 1/1, 000 a 1/10, 000 volte inferiore alla rigidità teorica dei singoli nanotubi di carbonio. Stein, Ward, e l'ex studente laureato in visita al MIT Hülya Cebeci ha anche sviluppato un modello teorico che spiega i cambiamenti a diverse densità di imballaggio delle nanofibre.

Il nuovo lavoro mostra che i CNT compattati dalle forze capillari bagnandoli prima con acetone o etanolo e poi facendo evaporare il liquido producono anche CNT che sono da centinaia a migliaia di volte meno rigidi di quanto previsto dai valori teorici. Questo effetto capillare, noto come elastocapillarità, è simile a come una spugna spesso si asciuga in una forma più compatta dopo essere stata bagnata e poi asciugata.

"I nostri risultati indicano tutti il ​​fatto che il modulo di parete del CNT è molto più basso del valore normalmente assunto per i CNT perfetti perché i CNT sottostanti non sono diritti, " dice Stein. "I nostri calcoli mostrano che la parete CNT è almeno due ordini di grandezza meno rigida di quanto ci aspettiamo per CNT dritti, quindi possiamo concludere che i CNT devono essere ondulati".

Il calore aggiunge forza

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica di riscaldamento per aumentare l'adesione del loro originale, array di CNT non densificati al loro substrato di wafer di silicio. I CNT densificati dopo il trattamento termico erano circa quattro volte più difficili da separare dalla base di silicio rispetto ai CNT non trattati. Kaiser e Stein, che condividono la prima paternità dell'articolo, stanno attualmente sviluppando un modello analitico per descrivere questo fenomeno e regolare la forza di adesione, che consentirebbe ulteriormente la previsione e il controllo di tali strutture.

"Molte applicazioni di nanotubi di carbonio allineati verticalmente [VACNT], come interconnessioni elettriche, richiedono array di nanotubi molto più densi di quelli che si ottengono tipicamente per i VACNT cresciuti sintetizzati mediante deposizione chimica da vapore, "dice Mostafa Bedewy, professore assistente presso l'Università di Pittsburgh, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Quindi, metodi per la densificazione post-crescita, come quelli basati sullo sfruttamento dell'elastocapillarità hanno precedentemente dimostrato di creare interessanti strutture CNT densificate. Però, c'è ancora bisogno di una migliore comprensione quantitativa dei fattori che governano la formazione delle cellule nelle matrici densificate di grandi aree di VACNT. Il nuovo studio degli autori contribuisce a rispondere a questa esigenza fornendo risultati sperimentali, insieme a approfondimenti sulla modellazione, parametri di correlazione come l'altezza del VACNT e l'adesione del substrato del VACNT alla morfologia cellulare risultante dopo la densificazione.

"Ci sono ancora domande rimanenti su come la variazione spaziale della densità CNT, tortuosità [torsione], e la distribuzione del diametro attraverso l'altezza VACNT influisce sul processo di densificazione capillare, soprattutto perché i gradienti verticali di queste caratteristiche possono essere diversi quando si confrontano due array VACNT con altezze diverse, " dice Bedewy. "Un ulteriore lavoro che incorpora la mappatura spaziale della morfologia interna del VACNT sarebbe illuminante, anche se sarà impegnativo in quanto richiede la combinazione di una serie di tecniche di caratterizzazione".

Modelli pittoreschi

Kaiser, che era un 2016 Summer Scholar del MIT, ha analizzato gli array di CNT densificati con la microscopia elettronica a scansione (SEM) nelle strutture sperimentali condivise supportate da NSF-MRSEC del MIT Materials Research Laboratory. Mentre l'applicazione delicata del liquido agli array di CNT in questo studio li ha fatti addensare in cellule prevedibili, immergere vigorosamente i CNT in un liquido conferisce loro forze molto più forti, formare reti CNT di forma casuale. "Quando abbiamo iniziato a esplorare i metodi di densificazione, Ho scoperto che questa potente tecnica ha densificato i nostri array CNT in modelli altamente imprevedibili e interessanti, " dice Kaiser. "Come visto otticamente e tramite SEM, questi modelli somigliavano spesso ad animali, facce, e persino un cuore:era un po' come cercare forme tra le nuvole." Una versione colorata della sua immagine ottica che mostra un cuore CNT è presente sulla copertina dell'edizione cartacea del 14 febbraio di Chimica Fisica Fisica Chimica .

"Penso che ci sia una bellezza di fondo in questo processo di autoassemblaggio e densificazione delle nanofibre, oltre alle sue applicazioni pratiche, " Kaiser aggiunge. "I CNT si addensano così facilmente e rapidamente in schemi dopo essere stati semplicemente bagnati da un liquido. Essere in grado di quantificare con precisione questo comportamento è eccitante, in quanto potrebbe consentire la progettazione e la produzione di nanomateriali scalabili".

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.