Una imagen óptica recoloreada obtenida por investigadores del MIT muestra una célula de nanotubos de carbono en forma de corazón. Una versión de la imagen aparece en la portada de la edición impresa del 14 de febrero de Physical Chemistry Chemical Physics. Crédito:Ashley Kaiser e Itai Stein / MIT
Integrar fibras a nanoescala como los nanotubos de carbono (CNT) en aplicaciones comerciales, desde revestimientos para alas de aviones hasta disipadores de calor para computación móvil, requiere que se produzcan a gran escala y a bajo costo. La deposición química de vapor (CVD) es un enfoque prometedor para fabricar CNT en las escalas necesarias, pero produce CNT que son demasiado escasos y compatibles con la mayoría de las aplicaciones.
Aplicar y evaporar unas gotas de un líquido como la acetona a los CNT es fácil, método rentable para empaquetarlos más firmemente y aumentar su rigidez, pero hasta ahora no había forma de predecir la geometría de estas células CNT.
Los investigadores del MIT han desarrollado un método sistemático para predecir los patrones bidimensionales que forman las matrices CNT después de que se empaquetan juntas. o densificado, evaporando gotas de acetona o etanol. El tamaño de la celda CNT y la rigidez de la pared crecen proporcionalmente con la altura de la celda, informan en la edición del 14 de febrero de Física Química Física Química .
Una forma de pensar en este comportamiento CNT es imaginar cómo las fibras entrelazadas, como el cabello mojado o los espaguetis, se refuerzan colectivamente entre sí. Cuanto más grande sea esta región enredada, mayor será su resistencia a la flexión. Similar, Los CNT más largos pueden reforzarse mejor entre sí en una pared celular. Los investigadores también encuentran que la fuerza de unión de CNT a la base sobre la que se producen, en este caso, silicio, hace una importante contribución a la predicción de los patrones celulares que formarán estos CNT.
"Estos hallazgos son directamente aplicables a la industria porque cuando usa CVD, obtienes nanotubos que tienen curvatura, aleatoriedad y son onduladas, y existe una gran necesidad de un método que pueda mitigar fácilmente estos defectos sin arruinarse, "dice Itai Stein SM '13, Doctor. 'dieciséis, quien es un postdoctorado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica. Los coautores incluyen a Ashley Kaiser, estudiante de posgrado en ingeniería y ciencia de materiales, postdoctorado en ingeniería mecánica Kehang Cui, y el autor principal Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica.
Los nanotubos de carbono alineados (CNT) que crecen por deposición de vapor químico son típicamente ondulados, como se ve en la vista lateral en el centro de la ilustración, en lugar de recto, como se ilustra en un solo nanotubo a la derecha. También se asientan en patrones algo aleatorios, como se muestra en el cuadro en la parte superior izquierda. La ondulación reduce la rigidez de las matrices CNT hasta en 100, 000 veces, pero su rigidez se puede aumentar densificando, o comprimiendo, los racimos de nanotubos de dos direcciones diferentes. Crédito:Itai Stein / MIT
"De nuestro trabajo anterior sobre nanotubos de carbono alineados y sus compuestos, Aprendimos que empaquetar mejor los CNT es una forma muy eficaz de diseñar sus propiedades, "dice Wardle." La parte desafiante es desarrollar una manera fácil de hacer esto a escalas que sean relevantes para aviones comerciales (cientos de metros), y las capacidades de predicción que desarrollamos aquí son un gran paso en esa dirección ".
Medidas detalladas
Los nanotubos de carbono son muy deseables debido a sus propiedades térmicas, eléctrico, y propiedades mecánicas, que son direccionalmente dependientes. Un trabajo anterior en el laboratorio de Wardle demostró que la ondulación reduce la rigidez de las matrices CNT en tan solo 100 veces, y hasta 100, 000 veces. El término técnico para esta rigidez, o capacidad para doblarse sin romperse, es módulo elástico. Los nanotubos de carbono son de 1, 000 a 10, 000 veces más largos que gruesos, por lo que se deforman principalmente a lo largo de su longitud.
Para un artículo anterior publicado en la revista Letras de física aplicada , Stein y sus colegas utilizaron técnicas de nanoindentación para medir la rigidez de las matrices de nanotubos de carbono alineadas y encontraron que su rigidez era de 1/1, 000 a 1/10, 000 veces menor que la rigidez teórica de los nanotubos de carbono individuales. Stein, Wardle, y la ex estudiante graduada visitante del MIT, Hülya Cebeci, también desarrollaron un modelo teórico que explica los cambios en las diferentes densidades de empaquetamiento de las nanofibras.
El nuevo trabajo muestra que los CNT compactados por las fuerzas capilares al humedecerlos primero con acetona o etanol y luego evaporar el líquido también producen CNT que son cientos o miles de veces menos rígidos de lo esperado por los valores teóricos. Este efecto capilar, conocido como elastocapilaridad, es similar a cómo una esponja a menudo se seca en una forma más compacta después de humedecerse y luego secarse.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra que los nanotubos de carbono alineados tratados térmicamente se autoensamblan en células con paredes celulares claramente definidas cuando se densifican aplicando y evaporando unas gotas de acetona líquida o etanol. Los investigadores del MIT han desarrollado un método sistemático para predecir la geometría de los patrones celulares bidimensionales que formarán estos nanotubos. Las líneas brillantes representan los bordes superiores de las paredes de la celda, mientras que las porciones más oscuras representan nanotubos más cercanos a la base del sustrato de silicio, que se ve en los espacios planos entre las paredes de las celdas. Crédito:Ashley Kaiser / MIT
"Todos nuestros hallazgos apuntan al hecho de que el módulo de pared de CNT es mucho más bajo que el valor normalmente asumido para CNT perfectos porque los CNT subyacentes no son rectos, ", dice Stein." Nuestros cálculos muestran que el muro de CNT es al menos dos órdenes de magnitud menos rígido de lo que esperamos para los CNT rectos, por lo que podemos concluir que los CNT deben ser ondulados ".
El calor agrega fuerza
Los investigadores utilizaron una técnica de calentamiento para aumentar la adherencia de su original, matrices CNT no densificadas a su sustrato de oblea de silicio. Los NTC densificados después del tratamiento térmico fueron aproximadamente cuatro veces más difíciles de separar de la base de silicio que los NTC sin tratar. Kaiser y Stein, que comparten la primera autoría del artículo, Actualmente estamos desarrollando un modelo analítico para describir este fenómeno y ajustar la fuerza de adhesión, lo que permitiría además la predicción y el control de tales estructuras.
"Muchas aplicaciones de nanotubos de carbono alineados verticalmente [VACNT], como interconexiones eléctricas, requieren arreglos de nanotubos mucho más densos que los que se obtienen típicamente para los VACNT recién desarrollados sintetizados por deposición química de vapor, "dice Mostafa Bedewy, profesor asistente en la Universidad de Pittsburgh, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Por eso, métodos de densificación poscrecimiento, como los basados en el aprovechamiento de la elastocapilaridad, se ha demostrado previamente que crean interesantes estructuras de CNT densificadas. Sin embargo, Todavía existe la necesidad de una mejor comprensión cuantitativa de los factores que gobiernan la formación de células en matrices densificadas de áreas grandes de VACNT. El nuevo estudio de los autores contribuye a abordar esta necesidad proporcionando resultados experimentales, junto con conocimientos de modelado, correlacionando parámetros como la altura de VACNT y la adhesión del sustrato de VACNT a la morfología celular resultante después de la densificación.
"Aún quedan preguntas sobre cómo la variación espacial de la densidad de CNT, tortuosidad [giro], y la distribución del diámetro a lo largo de la altura VACNT afecta el proceso de densificación capilar, especialmente porque los gradientes verticales de estas características pueden ser diferentes cuando se comparan dos arreglos VACNT que tienen diferentes alturas, ", dice Bedewy." Un trabajo adicional que incorpore el mapeo espacial de la morfología interna de VACNT sería esclarecedor, aunque será un desafío, ya que requiere combinar un conjunto de técnicas de caracterización ".
(Detalle de la imagen anterior). Los investigadores del MIT informan que el tamaño de las células CNT y la rigidez de la pared crecen proporcionalmente con la altura de las células. Crédito:Ashley Kaiser / MIT
Patrones pintorescos
Emperador, que fue becario de verano del MIT en 2016, analizaron las matrices de CNT densificadas con microscopía electrónica de barrido (SEM) en las Instalaciones Experimentales Compartidas apoyadas por NSF-MRSEC del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. Si bien la aplicación suave de líquido a las matrices de CNT en este estudio hizo que se densificaran en células predecibles, sumergir vigorosamente los CNT en líquido les imparte fuerzas mucho más fuertes, formando redes CNT de forma aleatoria. "Cuando comenzamos a explorar los métodos de densificación, Descubrí que esta técnica contundente densificaba nuestras matrices CNT en patrones muy impredecibles e interesantes, ", dice Kaiser". Visto de forma óptica y mediante SEM, estos patrones a menudo se parecían a los animales, caras, e incluso un corazón, era un poco como buscar formas en las nubes ". Una versión coloreada de su imagen óptica que muestra un corazón CNT aparece en la portada de la edición impresa del 14 de febrero de Física Química Física Química .
"Creo que hay una belleza subyacente en este proceso de densificación y autoensamblaje de nanofibras, además de sus aplicaciones prácticas, "Kaiser agrega." Los CNT se densifican tan fácil y rápidamente en patrones después de simplemente ser mojados por un líquido. Poder cuantificar con precisión este comportamiento es emocionante, ya que puede permitir el diseño y la fabricación de nanomateriales escalables ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
