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從不可預測的碳納米管中創建可預測的模式

將碳納米管(CNTs)等納米級纖維納入商業應用,從飛機機翼涂層到移動計算散熱器,這些都需要大規模生產和低成本原材料來進行?;喑粱–VD)是在所需尺度上制造CNT的一種方法,但是它產生對于大多數應用來說所制造出來的成品密度過于稀疏。
將幾滴液體例如丙酮施加并蒸發到CNT上是一種簡易且經濟有效的方法,以將它們更緊密地包裝在一起并增加它們的硬度,但直到現在,還沒有辦法預測這些CNT細胞的幾何形狀。
麻省理工學院的研究人員現在已經開發了一種系統性的方法來預測碳納米管陣列形成后的二維圖案,就是通過蒸發丙酮或乙醇的液滴將它們包裝在一起或致密化。
考慮這種CNT行為的一種方式是想象如何纏結的纖維如濕頭發或意大利面條那樣共同相互強化。這個糾纏區越大,它的抗彎曲性就越高。類似地,較長的CNT可以更好地在細胞壁中彼此增強。研究人員還發現,在這種情況下,碳納米管與它們所產生的基底的結合強度對于預測這些碳納米管將形成的細胞模式做出了重要貢獻。
可控制的納米管
這些發現直接適用于工業,因為當您使用CVD時,您將得到具有曲率,隨機性和波浪形狀的納米管,并且非常需要一種能夠在不破壞銀行的情況下輕松減輕這些缺陷的方法。
通過化學氣相沉積生長的排列的碳納米管(CNT)典型地呈波浪形,如在圖示中心處的側視圖所示,而不是直的,如右邊的單個納米管所示。如左上角的框中所示,它們也有一些隨機的模式。波紋度可將碳納米管陣列的剛度降低100,000倍,但它們的剛度可通過從兩個不同方向致密化或壓縮納米管團簇而增加。
“從我們之前關于碳納米管及其復合材料的研究中,我們了解到更緊密地包裝碳納米管是一種非常有效的方法來設計它們的性能,”“具有挑戰性的部分是開發一種在與商用飛機(數百米)相關的規模上做到這一點的簡便方法,我們在這里開發的預測能力是朝這個方向邁出的重要一步?!?/div>
碳納米管是非常合乎需要的,因為它們的熱,電和機械性能,這些性能取決于方向。Wardle實驗室的早期工作表明,波紋度可將CNT陣列的剛度降低100倍,最高可達100,000次。這種剛度的技術術語或者沒有斷裂的彎曲能力是彈性模量。碳納米管比它們厚1000倍至10000倍,所以它們主要沿著它們的長度變形。
通過毛細作用力使碳納米管首先用丙酮或乙醇潤濕,然后蒸發液體產生的碳納米管的數量比理論值預計的要小上百到數千倍。這種被稱為彈性毛細管現象的毛細作用類似于海綿經過濕潤然后干燥后經常干燥成更緊湊形狀的方式。
掃描電子顯微鏡圖像顯示,熱處理的定向碳納米管在通過施加和蒸發幾滴液體丙酮或乙醇致密化時自組裝成具有明確確定的細胞壁的細胞。碳納米管壁模量遠低于完美碳納米管的正常假設值,因為下面的碳納米管不是直的。我們的計算表明,碳納米管壁至少比我們預期的直碳納米管堅硬兩個數量級,所以我們可以得出結論,碳納米管必須是波狀的。
研究人員使用加熱技術來增加其原始未密集的碳納米管陣列與其硅晶片基底的附著力。與未處理的CNT相比,熱處理后的CNT致密化比硅基體更難分離四倍。目前正在開發一種分析模型來描述這種現象并調整粘附力,這將進一步預測和控制這種結構。
關于CNT密度,曲折度(扭曲)和直徑分布在VACNT高度上的空間變化如何影響毛細管致密化過程仍存在疑問,特別是因為比較兩個具有不同VACNT陣列的這些特征的垂直梯度可能不同高度。結合內部VACNT形態學的空間映射的進一步工作將是照亮的,雖然它將是具有挑戰性的,因為它需要結合一套表征技術。
使用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了致密化的CNT陣列。在本研究中,輕輕將液體施加到CNT陣列上使其致密化為可預測的細胞,將CNT強烈浸入液體中賦予它們更強的力,從而形成隨機形狀的CNT網絡。當我們開始探索致密化方法時,我發現這種有力的技術將我們的碳納米管陣列致密化成了難以預測和有趣的模式。
我認為除了它的實際應用之外,這種納米纖維自組裝和致密化過程還有一個潛在的美,碳納米管在被液體弄濕之后,可以非常容易和迅速地進行致密化,能夠準確量化這種行為令人興奮,因為它可以幫助設計和制造可擴展的納米材料。

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