Was ist 100-mal stärker als Stahl, wiegt ein Sechstel und kann von einer winzigen Luftblase wie ein Zweig gerissen werden? Die Antwort ist ein Kohlenstoffnanoröhrchen - und eine neue Studie der Wissenschaftler der Rice University zeigt genau auf, wie die viel untersuchten Nanomaterialien reißen, wenn sie Ultraschallschwingungen in einer Flüssigkeit ausgesetzt werden.
"Wir stellen fest, dass das alte Sprichwort" Ich werde brechen, aber nicht biegen "nicht im Mikro- und Nanobereich gilt", sagte Matteo Pasquali, der leitende Wissenschaftler der Studie, die diesen Monat in den Proceedings of the National erscheint Akademie der Wissenschaften.
Der Mechanismus, mit dem Kohlenstoffnanoröhren unter dem Einfluss von Blasen während der Beschallung brechen oder verbiegen, ist das Thema einer neuen Arbeit, die von Forschern der Rice University geleitet wird. Das Team stellte fest, dass kurze Nanoröhren mit dem Ende voran in kollabierende Blasen gezogen werden und diese dehnen, während längere Blasen eher zum Zerbrechen neigen. Bildnachweis: Pasquali Lab / Rice University
Kohlenstoffnanoröhrchen - hohle Röhrchen aus reinem Kohlenstoff, etwa so breit wie ein DNA-Strang - sind eines der am häufigsten untersuchten Materialien in der Nanotechnologie. Seit mehr als einem Jahrzehnt verwenden Wissenschaftler Ultraschallschwingungen, um Nanoröhren im Labor zu trennen und herzustellen. In der neuen Studie zeigen Pasquali und Kollegen, wie dieser Prozess funktioniert - und warum er sich nachteilig auf lange Nanoröhren auswirkt. Dies ist wichtig für Forscher, die lange Nanoröhren herstellen und untersuchen möchten.
"Wir haben festgestellt, dass sich lange und kurze Nanoröhren beim Beschallen sehr unterschiedlich verhalten", sagte Pasquali, Professor für Chemie und Biomolekulartechnik und Chemie bei Rice. „Kürzere Nanoröhren werden gedehnt, während sich längere Nanoröhren biegen. Beide Mechanismen können zum Bruch führen. “
Kohlenstoffnanoröhren, die vor mehr als 20 Jahren entdeckt wurden, sind eines der ursprünglichen Wundermaterialien der Nanotechnologie. Sie sind enge Verwandte des Buckyball, des Partikels, dessen Entdeckung 1985 bei Rice die Revolution der Nanotechnologie auslöste.
Nanoröhren können in lackierbaren Batterien und Sensoren, zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten sowie für Stromkabel der nächsten Generation in Stromnetzen verwendet werden. Viele der optischen und Materialeigenschaften von Nanoröhren wurden am Smalley-Institut für nanoskalige Wissenschaft und Technologie von Rice entdeckt, und das erste Verfahren zur Herstellung einwandiger Nanoröhren in großem Maßstab wurde vom Namensgeber des Instituts, dem verstorbenen Richard Smalley, bei Rice entdeckt.
"Die Verarbeitung von Nanoröhrchen in Flüssigkeiten ist industriell wichtig, aber schwierig, da sie zusammenklumpen", sagte Mitautorin Micah Green. "Diese Nanoröhrchenklumpen lösen sich nicht in üblichen Lösungsmitteln auf, aber die Ultraschallbehandlung kann diese Klumpen aufbrechen, um die Nanoröhrchen zu trennen, d. H. Zu dispergieren."
Neu gewachsene Nanoröhren können tausendmal länger als breit sein, und obwohl die Ultraschallbehandlung die Klumpen sehr effektiv auflöst, werden die Nanoröhren dadurch auch kürzer. Tatsächlich haben Forscher eine Gleichung namens "Potenzgesetz" entwickelt, die beschreibt, wie dramatisch diese Verkürzung sein wird. Die Wissenschaftler geben die Beschallungsleistung und die Zeitdauer ein, in der die Probe beschallt wird, und das Potenzgesetz gibt ihnen die durchschnittliche Länge der produzierten Nanoröhren an. Mit zunehmender Leistung und Belichtungszeit werden die Nanoröhren kürzer.
"Das Problem ist, dass es zwei verschiedene Potenzgesetze gibt, die mit unterschiedlichen experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, und eines davon eine Länge ergibt, die viel kürzer ist als das andere", sagte Pasquali. "Es ist nicht so, dass das eine richtig und das andere falsch ist. Jedes wurde experimentell verifiziert, daher ist es wichtig zu verstehen, warum. Philippe Poulin deckte diese Diskrepanz zum ersten Mal in der Literatur auf und machte mich auf das Problem aufmerksam, als ich vor drei Jahren sein Labor besuchte. “
Um diese Diskrepanz zu untersuchen, machten sich Pasquali und die Koautoren der Studie, Guido Pagani, Micah Green und Poulin, daran, die Wechselwirkungen zwischen den Nanoröhren und den Ultraschallblasen genau zu modellieren. Ihr Computermodell, das auf dem Cray XD1-Supercomputer von Rice lief, verwendete eine Kombination von Strömungsmechanismen, um die Wechselwirkung genau zu simulieren. Als das Team die Simulationen durchführte, stellte es fest, dass sich längere Röhren ganz anders verhielten als kürzere.
"Wenn die Nanoröhre kurz ist, wird ein Ende von der zusammenbrechenden Blase nach unten gezogen, so dass die Nanoröhre zur Mitte der Blase ausgerichtet ist", sagte Pasquali. „In diesem Fall biegt sich der Schlauch nicht, sondern dehnt sich aus. Dieses Verhalten wurde bereits vorhergesagt, aber wir fanden auch heraus, dass lange Nanoröhren etwas Unerwartetes bewirken. Das Modell zeigte, wie die zusammenbrechende Blase längere Nanoröhren von der Mitte nach innen zog, sie bog und wie Zweige riss. “
Pasquali sagte, dass das Modell zeigt, wie beide Potenzgesetze korrekt sein können: Einer beschreibt einen Prozess, der längere Nanoröhren beeinflusst, und ein anderer beschreibt einen Prozess, der kürzere beeinflusst.
"Es bedurfte einiger Flexibilität, um zu verstehen, was passierte", sagte Pasquali. "Aber das Fazit ist, dass wir eine sehr genaue Beschreibung dessen haben, was passiert, wenn Nanoröhren beschallt werden."
Zu den Mitautoren der Studie zählen Pagani, ein ehemaliger Gastwissenschaftler bei Rice, der den Beschallungsprozess im Rahmen seiner Masterarbeit studierte. Green, ein ehemaliger Postdoktorand von Evans Attwell-Welch bei Rice, der jetzt Fakultätsmitglied an der Texas Tech University ist; und Poulin, Forschungsdirektor am Centre National de la Recherche Scientifique und Fakultätsmitglied an der Universität Bordeaux in Pessac, Frankreich.
Die Forschung wurde vom Air Force Office of Scientific Research, dem Air Force Research Laboratory, dem Evans Attwell-Welch Fellowship Program der Welch Foundation, der National Science Foundation, Cray, AMD, dem Ken Kennedy Institute for Information Technology von Rice und der Texas Tech University unterstützt Hochleistungsrechenzentrum.
Neuauflage mit Genehmigung der Rice University.