Hvad er 100 gange stærkere end stål, vejer en sjette så meget og kan snappes som en kvist ved en lille luftboble? Svaret er en carbon nanotube - og en ny undersøgelse foretaget af Rice University forskere beskriver nøjagtigt, hvordan de meget studerede nanomaterialer klikker, når de udsættes for ultralydsvibrationer i en væske.
"Vi finder ud af, at det gamle ordsprog 'Jeg vil bryde, men ikke bøje' ikke holder på mikro- og nanoskalaen," sagde Rice engineering forsker Matteo Pasquali, den førende videnskabsmand på undersøgelsen, der vises denne måned i Proceedings of the National Academy of Sciences.
Mekanismen, hvormed kulstofnanorør bryder eller bøjes under påvirkning af bobler under lydbehandling er emnet for et nyt papir ledet af forskere ved Rice University. Holdet fandt ud af, at korte nanorør trækkes slut-ind i sammenbrudte bobler og strækker dem, mens længere er mere tilbøjelige til brud. Billedkredit: Pasquali Lab / Rice University
Carbon nanotubes - hule rør af rent kulstof så bredt som en DNA-streng - er et af de mest studerede materialer inden for nanoteknologi. I godt et årti har forskere brugt ultralydsvibrationer til at adskille og forberede nanorør i laboratoriet. I den nye undersøgelse viser Pasquali og kolleger, hvordan denne proces fungerer - og hvorfor det er til skade for lange nanorør. Det er vigtigt for forskere, der ønsker at fremstille og studere lange nanorør.
”Vi fandt ud af, at lange og korte nanorør opfører sig meget forskelligt, når de lydbehandles,” sagde Pasquali, professor i kemisk og biomolekylær teknik og kemi ved Rice. ”Kortere nanorør strækkes, mens længere nanorør bøjes. Begge mekanismer kan føre til brud. ”
Opdaget for mere end 20 år siden er kulstofnanorør et af de originale vidundermaterialer fra nanoteknologi. De er nære kusiner til buckyballen, partiklen hvis opdagelse i Rice fra 1985 hjalp med at sparke nanoteknologirevolutionen.
Nanorør kan bruges i malbare batterier og sensorer, til diagnosticering og behandling af sygdomme og til næste generations strømkabler i elektriske net. Mange af de optiske og materielle egenskaber ved nanorør blev opdaget på Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, og den første storstilet produktionsmetode til fremstilling af nanorør med en væg blev opdaget på Rice af instituttets navnebror, afdøde Richard Smalley.
”Forarbejdning af nanorør i væsker er industrielt vigtigt, men det er ret vanskeligt, fordi de har en tendens til at klumpe sig sammen,” sagde medforfatter Micah Green. "Disse nanorørsklumper opløses ikke i almindelige opløsningsmidler, men lydbehandling kan bryde disse klumper fra hinanden for at adskille, dvs. sprede nanorørene."
Nyvoksede nanorør kan være tusind gange længere, end de er brede, og selvom lydbehandling er meget effektiv til at nedbryde klumperne, gør det også nanorørene kortere. Faktisk har forskere udviklet en ligning kaldet en "magtlov", der beskriver, hvor dramatisk denne forkortelse vil være. Forskere indtaster lydstyrkekraften og den tid, prøven lydbehandles, og strømloven fortæller dem den gennemsnitlige længde af nanorørene, der vil blive produceret. Nanorørene bliver kortere, når strømmen og eksponeringstiden øges.
"Problemet er, at der er to forskellige magtlove, der matcher separate eksperimentelle fund, og den ene af dem producerer en længde, der er meget kortere end den anden," sagde Pasquali. ”Det er ikke, at den ene er rigtig, og den anden er forkert. Hver er blevet verificeret eksperimentelt, så det er et spørgsmål om at forstå, hvorfor. Philippe Poulin afslørede først denne uoverensstemmelse i litteraturen og bragte problemet opmærksom på mig, da jeg var på besøg i hans laboratorium for tre år siden. ”
For at undersøge dette uoverensstemmelse forsøgte Pasquali og studere medforfattere Guido Pagani, Micah Green og Poulin nøjagtigt at modellere interaktioner mellem nanorørene og lydbehandlingsboblerne. Deres computermodel, der kørte på Rice's Cray XD1 supercomputer, brugte en kombination af væskedynamik teknikker til nøjagtigt at simulere interaktionen. Da holdet kørte simuleringerne, fandt de, at længere rør opførte sig meget forskelligt fra deres kortere kolleger.
“Hvis nanorøret er kort, vil den ene ende blive trukket ned af den kollapsende boble, så nanorøret rettes mod midten af boblen,” sagde Pasquali. ”I dette tilfælde bøjes røret ikke, men strækker sig snarere. Denne adfærd var tidligere forudsagt, men vi fandt også, at lange nanorør gjorde noget uventet. Modellen viste, hvordan den kollapsende boble trak længere nanorør indad fra midten, bøjede dem og knækkede dem som kviste. ”
Pasquali sagde, at modellen viser, hvordan begge strømlovene hver kan være korrekte: Den ene beskriver en proces, der påvirker længere nanorør, og den anden beskriver en proces, der påvirker kortere.
”Det krævede en vis fleksibilitet for at forstå, hvad der skete,” sagde Pasquali. ”Men resultatet er, at vi har en meget nøjagtig beskrivelse af, hvad der sker, når nanorør er lydbehandlet.”
Medforfattere til studien inkluderer Pagani, tidligere gæstestuderende i Rice, som studerede lydbehandlingsprocessen som en del af sin speciale; Green, en tidligere Evans Attwell-Welch postdoktorisk forsker ved Rice, der nu er fakultetsmedlem ved Texas Tech University; og Poulin, forskningsdirektør ved Centre National de la Recherche Scientifique og et fakultetsmedlem ved University of Bordeaux i Pessac, Frankrig.
Forskningen blev støttet af Air Force Office of Scientific Research, Air Force Research Laboratory, Welch Foundation's Evans Attwell-Welch Fellowship-program, National Science Foundation, Cray, AMD, Rice's Ken Kennedy Institute for Information Technology og Texas Tech University High Performance Computing Center.
Genudgivet med tilladelse fra Rice University.