Mappa empirica del profilo delle resistenze a trazione dei nanotubi. Ogni coppia di numeri interi (n, m) su un esagono identifica la struttura del nanotubo. Le strutture di nanotubi sono classificate approssimativamente in tre gruppi (schemi a destra). L'immagine a sinistra mostra il momento della frattura del nanotubo durante la prova di trazione.? Credito:Università di Nagoya
I nanotubi di carbonio a parete singola dovrebbero essere teoricamente estremamente resistenti, ma non è chiaro il motivo per cui le loro resistenze alla trazione sperimentali sono inferiori e variano tra i nanotubi. Un team dell'Università di Nagoya, Università di Kyoto, e Aichi Institute of Technology hanno misurato direttamente le resistenze alla trazione dei singoli nanotubi di carbonio a parete singola definiti dalla struttura, rivelando intuizioni chiave sulla relazione tra la loro struttura e forza.
I nanotubi di carbonio sono stati previsti come materiali strutturali rivoluzionari grazie alla loro eccezionale resistenza teorica per peso (Fig. 1a). Hanno persino incoraggiato la costruzione di un ascensore spaziale, che è impossibile utilizzando altri materiali esistenti.
I nanotubi di carbonio hanno una varietà di strutture con vari allineamenti di atomi di carbonio. A seconda del numero di strati concentrici, i nanotubi di carbonio sono classificati come nanotubi a parete singola o multiparete (Fig. 1b). Inoltre, le strutture degli strati concentrici sono specificate dal diametro e dall'angolo chirale (Fig 1c) o da una coppia di interi (n, m) detti indici chirali.
A causa della difficoltà nella sintesi selettiva di nanotubi a struttura singola, gli studi sistematici delle loro proprietà meccaniche richiedono la determinazione della struttura di ogni nanotubo campione. Però, a causa delle loro dimensioni su scala nanometrica e della difficoltà nel maneggiarli, il test di trazione dei nanotubi di carbonio a parete singola "definiti dalla struttura" non è stato ancora realizzato. Gli studi precedenti hanno dimostrato che la resistenza alla trazione dei veri nanotubi di carbonio, compresi nanotubi di carbonio a parete singola multiparete e struttura indefinita, è in genere inferiore al caso ideale. Per di più, la forza variava considerevolmente tra i campioni misurati.
Questa dispersione pone un problema critico per quanto riguarda il loro uso pratico in materiali strutturali macroscopici come filati composti da molti nanotubi di carbonio, perché la loro frattura sarà iniziata dai nanotubi più deboli. La mancanza di uno studio sperimentale sistematico sulla dipendenza dalla struttura ha a lungo oscurato il meccanismo di frattura dei veri nanotubi di carbonio, e, perciò, ha ostacolato lo sviluppo di un materiale strutturale macroscopico con un rapporto resistenza-peso ideale.
Nanotubi di carbonio. a Teorico (rosso) e sperimentale (blu e giallo, che rappresentano i valori minimo e massimo ottenuti in questo studio, rispettivamente) rapporti resistenza-peso di nanotubi di carbonio a parete singola, rispetto a quelli dei tipici materiali strutturali. B, c Classificazione dei nanotubi di carbonio. Credito:Università di Nagoya
Un team di fisici, chimici, e ingegneri meccanici hanno progettato gli schemi sperimentali per la prova di trazione di nanotubi di carbonio a parete singola definiti dalla struttura (di seguito, chiamati nanotubi). I singoli nanotubi sono stati sintetizzati su una fessura aperta su scala micrometrica tramite metodi di deposizione chimica da vapore di alcol ambientale (Fig. 2a). La spettroscopia di diffusione di Rayleigh a banda larga è stata impiegata per determinare le strutture dei nanotubi (Fig. 2b). Quindi, i singoli nanotubi definiti dalla struttura sono stati prelevati con una microforchetta (Fig. 2c), e trasferito su un dispositivo di sistema microelettromeccanico (MEMS) fatto in casa (Fig. 2d). Ogni singolo nanotubo è stato sospeso e tenuto tra una coppia di stadi campione collegati a una micro cella di carico e attuatore per la misurazione diretta della forza e l'applicazione della forza di trazione uniassiale, rispettivamente (Fig. 2d). La Figura 2e mostra un'immagine nel momento in cui il nanotubo si è fratturato durante il carico di trazione. La forza è stata valutata direttamente dallo spostamento misurato della cella di carico dotata di micromolle secondo la legge di Hooke.
Il team è riuscito a misurare la resistenza alla trazione di 16 specie di nanotubi definite dalla struttura. La Figura 3a riassume la dipendenza dalla struttura delle resistenze misurate dei nanotubi a trazione ultima. I punti di forza sono apparentemente dipendenti sia dall'angolo chirale (Fig. 3b) che dal diametro (Fig. 3c) dei nanotubi.
Procedure sperimentali per la misura della resistenza a trazione. a Nanotubo individuale sintetizzato direttamente su una fessura aperta. b Spettri di diffusione di Rayleigh a banda larga di tre specie di nanotubi utilizzati per l'assegnazione della struttura chirale. c Operazione di prelievo di un singolo nanotubo mediante microforchetta. d Impostazione di un nanotubo sul dispositivo del sistema microelettromeccanico (MEMS). e Immagine presa al momento della frattura del nanotubo durante la prova di trazione. La freccia nera indica la direzione del movimento dello stadio dell'attuatore. Figura 3. Dipendenza dalla struttura del carico di rottura. a Le resistenze a trazione del (n, m) i nanotubi sono indicati dai diametri del cerchio. B, c Le resistenze a trazione sono tracciate in funzione dell'angolo chirale (b) e del diametro (c). Figura 4. Chiara relazione tra carico di rottura e struttura. e d sono l'angolo chirale e il diametro, rispettivamente. f(θ) è un fattore che considera lo stress effettivo sui legami carbonio-carbonio. La dipendenza dalla radice quadrata di d tiene conto della concentrazione delle sollecitazioni nei difetti strutturali. Credito:Università di Nagoya
Il team ha trovato la chiara relazione tra punti di forza e strutture considerando le direzioni dei legami carbonio-carbonio contro la direzione del carico di trazione e la concentrazione delle sollecitazioni nei difetti strutturali. Per di più, il team ha sviluppato una formula empirica per prevedere i punti di forza dei nanotubi reali. Questa formula empirica fornisce le strutture di nanotubi più favorevoli che dovrebbero essere sintetizzate selettivamente verso il materiale più forte (parte superiore del contenuto). Fortunatamente, i tipi suggeriti delle strutture dei nanotubi non sono ben vincolati. Sebbene permangano una serie di gravi problemi, compresa la sintesi selettiva della struttura di nanotubi privi di difetti, la crescita di lunghi nanotubi, e fare funi che conservano la loro forza, questa scoperta fornisce una delle intuizioni fondamentali per lo sviluppo di materiali super resistenti e ultraleggeri da utilizzare nella costruzione delle attrezzature di trasporto più sicure ed efficienti in termini di consumo di carburante o di massicce strutture architettoniche.
