Un equipo de tres profesores de ingeniería mecánica de la Universidad de Delaware, más investigadores de otras tres instituciones académicas, están colaborando para desarrollar estructuras de nanotubos de carbono tridimensionales (3D).

A la vez ligero y fuerte, Los nanotubos de carbono (CNT) se consideran un material revolucionario con muchas aplicaciones útiles debido a su forma única y excelente mecánica. propiedades eléctricas y térmicas. Durante los últimos 20 años, los investigadores han explorado su uso en electrónica avanzada, óptica y materiales estructurales como compuestos.

Si bien muchos científicos han estudiado los nanomateriales de carbono en formas unidimensionales y bidimensionales para los CNT y el grafeno, respectivamente, este es el primer intento de crear y utilizar redes sólidas de nanotubos de carbono en 3D.

Dirigido por Rice University, la subvención de $ 7.5 millones del Departamento de Defensa (DOD) se financia a través de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI). El proyecto incluye equipos de investigadores de la UD, Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Texas, Dallas.

Jonghwan Suhr, profesor asistente de ingeniería mecánica, es el investigador principal principal de la UD en el proyecto. Los profesores Bingqing Wei y X. Lucas Lu sirven como investigadores clave. Otros socios en la investigación son Boeing, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea Wright Patterson y el Laboratorio de Investigación del Ejército.

Cada miembro del equipo de la UD aporta un conocimiento único al proyecto. La experiencia de Suhr radica en nanocomposites y estructuras compuestas, mientras que el conocimiento de Lu está en biomecánica. Wei se especializa en la síntesis de nanomateriales y almacenamiento de energía. El financiamiento total para UD es de $ 1 millón durante cinco años.

“Para aplicar la tecnología de nanotubos de carbono en aplicaciones macroscópicas o a gran escala, primero debemos sintetizar y caracterizar un robusto, nanotubos de carbono 3D estructuralmente sólidos, ”Explica Suhr.

Mientras desafía, Él cree que una arquitectura 3D hará que los CNT sean más versátiles y puede conducir a nuevas aplicaciones en materiales estructurales livianos, almacenamiento de energía y gestión térmica.

Un problema clave que impide su avance es el fracaso conjunto. Los CNT están hechos de una intrincada disposición de átomos de carbono sintéticos conectados por uniones. La transición de una arquitectura unidimensional o bidimensional a una arquitectura tridimensional es fundamentalmente difícil porque los investigadores deben introducir uniones o uniones a escala atómica entre elementos individuales a nanoescala para que puedan organizarse en una sólida red 3D.

Suhr y sus colegas de la UD planean superar esta limitación utilizando técnicas novedosas de síntesis de nanomateriales y evaluando el nuevo nanomaterial 3D utilizando teorías biomecánicas típicamente aplicadas al cartílago o al hueso.

“Los nanotubos de carbono tridimensionales son porosos y viscoelásticos, similar al tejido humano. Si bien el tejido humano es una combinación de tejido y líquido, Los nanotubos de carbono son una combinación de material estructural y aire. ”Dice Lu.

Una vez creado, el equipo de la UD estudiará la respuesta electromecánica del nanotubo mediante emisiones acústicas, ondas sonoras hechas por la estructura, para probar la fuerza de la arquitectura tridimensional. Después de determinar a qué carga falla la articulación, el equipo puede diseñar una forma de superar esta deficiencia.

“El objetivo es crear materiales sólidos mediante el ensamblaje controlado y la unión a escala atómica de elementos a nanoescala, lo que conduce a sólidos de la red con propiedades termoelectromecánicas notablemente mejoradas, "Dice Suhr, quien también está afiliado al Centro de Materiales Compuestos de la UD.

Si el proyecto tiene éxito, Suhr dice:Los investigadores desarrollarán una comprensión más profunda de las relaciones estructura-propiedad necesarias para optimizar y, en última instancia, comercializar arquitecturas de nanotubos de carbono 3D para aplicaciones industriales. Los materiales nanoestructurados en 3D verdaderamente interconectados también proporcionarán mejoras de propiedad excepcionales para las aplicaciones que respaldan las iniciativas estratégicas del DOD.

“Esta prestigiosa subvención ofrece una excelente oportunidad para que Jonghwan y su equipo creen nuevos avances fundamentales en el uso de nanotubos de carbono, "Comentó Anette Karlsson, presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica.