Representación de un patrón de dispersión de rayos X 2D que contiene información sobre la estructura multiescala de un 'bosque' de nanotubos de carbono (CNT) en cuatro órdenes de magnitud en escala de longitud, una gama mucho más amplia que la alcanzada anteriormente. Las características completamente resueltas incluyen la celosía grafítica y el espaciado de la pared entre capas, Diámetro CNT, Espaciamiento CNT y ondulaciones verticales. Crédito:Ryan Chen / LLNL
Así como los miembros de una banda de música se alinean para una actuación, Los nanotubos de carbono crean una configuración similar.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) utilizaron recientemente la dispersión de rayos X de sincrotrón para capturar completamente la estructura jerárquica en materiales de nanotubos de carbono autoorganizados desde la escala atómica a la micrométrica. Su trabajo, publicado recientemente en la edición de junio de ACS Nano , es el primero en mapear continuamente el orden estructural de los conjuntos de nanotubos en cuatro órdenes de magnitud en la escala de longitud, todo mientras se emplea una sola técnica.
Las complejas estructuras jerárquicas hechas de nanocarbonos sintéticos alótropos como los nanotubos y el grafeno prometen transformar innumerables aplicaciones en compuestos estructurales. nanoelectrónica, almacen de energia, filtración y separación. Así como la disposición de los átomos y los defectos gobiernan clásicamente la función de un material, De manera similar, el orden y la alineación de los bloques de construcción a nanoescala dentro de un conjunto más grande influyen fuertemente en el desempeño a macroescala del material. Una falta de comprensiva, La caracterización estructural multiescala ha sido un cuello de botella crucial para avanzar en la síntesis dirigida a aplicaciones de nanomateriales jerárquicos.
"Estábamos interesados en describir la estructura completa de los 'bosques' de nanotubos de carbono alineados en escalas de longitud dramáticamente diferentes, que normalmente no se puede hacer con una sola técnica, como microscopía o espectroscopía convencional, "señaló Eric Meshot, Científico del LLNL y autor principal del estudio. "La dispersión de rayos X es poderosa porque el tamaño de la función direccionable se puede sintonizar ampliamente simplemente en función de la energía de rayos X entrante y de dónde coloca el detector para recolectar los rayos X salientes".
Estructura corrugada a microescala de un 'bosque' de CNT alineado verticalmente revelado por microscopía electrónica (espacio real) y datos de dispersión de rayos X suaves insertados correspondientes (espacio inverso). Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Este enfoque permitió a los miembros del equipo establecer correlaciones entre escalas de longitud adyacentes, lo que reveló que la densidad de empaquetamiento de los nanotubos influye en última instancia en la alineación en cada escala de longitud. Notablemente, los investigadores forjaron un nuevo terreno mediante el uso de rayos X suaves (de baja energía) para resolver patrones estructurales a microescala que pueden surgir a lo largo de la dirección de crecimiento de los nanotubos. Asombrosamente, encontraron que estos materiales de nanotubos de carbono pueden formar corrugaciones verticales con un orden de microescala alto a pesar de tener un orden de nanoescala bajo.
El impacto de este estudio va más allá de la comprensión fundamental de la estructura. El equipo de LLNL ha utilizado la dispersión de rayos X como una capacidad de caballo de batalla para evaluar la relación estructura-rendimiento en membranas de nanotubos de carbono alineadas hacia la construcción de prendas transpirables que protegen contra amenazas biológicas. "Características estructurales como la distribución del tamaño de los poros, la densidad de poros y la tortuosidad dictan el rendimiento del transporte de la membrana y se pueden cuantificar fácilmente con métodos de rayos X, "explicó Francesco Fornasiero, Científico del LLNL e investigador principal del proyecto.
Por este trabajo, el equipo aprovechó una estrecha colaboración con Advanced Light Source (ALS) y Molecular Foundry. "Nos gustaría ver más de este tipo de 'polinización cruzada' entre las instalaciones del DOE para que nuestros usuarios puedan aprovechar al máximo la caracterización estructural de vanguardia en el ALS para informar la síntesis de nanoestructuras en Foundry, "dijo Teyve Kuykendall, ingeniero científico principal de Molecular Foundry y coautor del estudio.
"Estamos entusiasmados de avanzar para explorar cómo podemos usar las herramientas de dispersión de rayos X para descifrar en tiempo real la estructura del material en función de la escala de longitud, tiempo y química todos juntos, "agregó Cheng Wang, científico del personal de la ALS y coautor de este trabajo. Este conjunto de información sería importante para establecer relaciones estructura-propiedad de múltiples escalas hacia el diseño y la fabricación orientados a la aplicación.
