Mapa de contorno empírico de las resistencias a la tracción de nanotubos Cada par de enteros (n, m) en un hexágono identifica la estructura de nanotubos. Las estructuras de nanotubos se clasifican aproximadamente en tres grupos (esquemas de la derecha). La imagen de la izquierda muestra el momento de la fractura del nanotubo durante la prueba de tracción. Crédito:Universidad de Nagoya
Los nanotubos de carbono de pared simple deberían ser, en teoría, extremadamente fuertes, pero no está claro por qué sus resistencias experimentales a la tracción son menores y varían entre nanotubos. Un equipo de la Universidad de Nagoya, Universidad de Kyoto, y el Instituto de Tecnología de Aichi midió directamente las resistencias a la tracción de nanotubos de carbono de pared simple con estructura individual definida, revelando ideas clave sobre la relación entre su estructura y fuerza.
Se ha predicho que los nanotubos de carbono son materiales estructurales revolucionarios debido a su extraordinaria resistencia teórica por peso (Fig. 1a). Incluso han fomentado la construcción de un ascensor espacial, lo cual es imposible usando otros materiales existentes.
Los nanotubos de carbono tienen una variedad de estructuras con varias alineaciones de átomos de carbono. Dependiendo del número de capas concéntricas, Los nanotubos de carbono se clasifican como nanotubos de pared simple o de pared múltiple (Fig. 1b). Adicionalmente, Las estructuras de las capas concéntricas se especifican mediante el diámetro y el ángulo quiral (Fig.1c) o un par de números enteros (n, m) conocidos como índices quirales.
Debido a la dificultad en la síntesis selectiva de nanotubos de estructura única, Los estudios sistemáticos de sus propiedades mecánicas requieren la determinación de la estructura de cada nanotubo de muestra. Sin embargo, debido a su tamaño a nanoescala y la dificultad para manejarlos, la prueba de tracción de los nanotubos de carbono de pared simple "definida por estructura" aún no se ha logrado. Los estudios anteriores han demostrado que la resistencia a la tracción de los nanotubos de carbono reales, incluyendo nanotubos de carbono de pared única de estructura indefinida y de paredes múltiples, es típicamente más bajo que el caso ideal. Es más, la resistencia varió considerablemente entre las muestras medidas.
Esta dispersión plantea un problema crítico con respecto a su uso práctico en materiales estructurales macroscópicos como hilos compuestos por muchos nanotubos de carbono, porque su fractura se iniciará a partir de los nanotubos más débiles. La falta de un estudio experimental sistemático sobre la dependencia de la estructura ha oscurecido durante mucho tiempo el mecanismo de fractura de los nanotubos de carbono reales. y, por lo tanto, ha obstaculizado el desarrollo de un material estructural macroscópico con una relación resistencia-peso ideal.
Nanotubos de carbon. a Teórico (rojo) y experimental (azul y amarillo, que representan los valores mínimos y máximos obtenidos en este estudio, respectivamente) relaciones de resistencia a peso de nanotubos de carbono de pared simple, en comparación con los de los materiales estructurales típicos. B, c Clasificación de nanotubos de carbono. Crédito:Universidad de Nagoya
Un equipo de físicos farmacia, e ingenieros mecánicos diseñaron los esquemas experimentales para la prueba de tracción de nanotubos de carbono de pared simple de estructura definida (en adelante, denominados nanotubos). Se sintetizaron nanotubos individuales sobre una rendija abierta a escala micrométrica mediante métodos de deposición de vapor químico de alcohol ambiental (Fig. 2a). Se empleó espectroscopía de dispersión de Rayleigh de banda ancha para determinar las estructuras de nanotubos (Fig. 2b). Luego, los nanotubos de estructura definida individual se recogieron con un micro tenedor (Fig. 2c), y se transfiere a un dispositivo de sistema microelectromecánico casero (MEMS) (Fig. 2d). Cada nanotubo individual se suspendió y mantuvo entre un par de etapas de muestra que se conectaron a una microcelda de carga y un actuador para la medición de fuerza directa y la aplicación de fuerza de tracción uniaxial. respectivamente (Fig. 2d). La Figura 2e muestra una imagen del momento en que el nanotubo se fracturó durante la carga de tracción. La fuerza se evaluó directamente a partir del desplazamiento medido de la etapa de la celda de carga equipada con micro resortes de acuerdo con la ley de Hooke.
El equipo logró medir la resistencia a la tracción de 16 especies de nanotubos de estructura definida. La Figura 3a resume la dependencia de la estructura de las resistencias de nanotubos de tensión máxima medidas. Las fuerzas dependen aparentemente tanto del ángulo quiral (Fig. 3b) como del diámetro (Fig. 3c) de los nanotubos.
Procedimientos experimentales para la medición de la resistencia a la tracción. un nanotubo individual sintetizado directamente sobre una rendija abierta. b Espectros de dispersión de Rayleigh de banda ancha de tres especies de nanotubos utilizados para la asignación de estructura quiral. c Operación de recogida de un nanotubo individual mediante una micro horquilla. d Colocación de un nanotubo en el dispositivo del sistema microelectromecánico (MEMS). e Imagen tomada en el momento de la fractura del nanotubo durante el ensayo de tracción. La flecha negra indica la dirección del movimiento de la etapa del actuador. Figura 3. Dependencia de la estructura de la última resistencia a la tracción. a Las resistencias a la tracción del (n, m) los nanotubos están indicados por los diámetros de los círculos. B, c Las resistencias a la tracción se representan en función del ángulo quiral (b) y el diámetro (c). Figura 4. Relación clara entre la resistencia máxima a la tracción y la estructura. θ yd son ángulo y diámetro quirales, respectivamente. f (θ) es un factor que considera la tensión efectiva sobre los enlaces carbono-carbono. La dependencia de la raíz cuadrada de d tiene en cuenta la concentración de esfuerzos en los defectos estructurales. Crédito:Universidad de Nagoya
El equipo encontró la relación clara entre las resistencias y las estructuras al considerar las direcciones de los enlaces carbono-carbono contra la dirección de la carga de tracción y la concentración de esfuerzos en los defectos estructurales. Es más, el equipo desarrolló una fórmula empírica para predecir los puntos fuertes de los nanotubos reales. Esta fórmula empírica proporciona las estructuras de nanotubos más favorables que deben sintetizarse selectivamente hacia el material más fuerte (parte superior del contenido). Afortunadamente, los tipos sugeridos de estructuras de nanotubos no están bien restringidos. Aunque sigue habiendo varios problemas graves, incluida la síntesis selectiva de estructura de nanotubos sin defectos, el crecimiento de largos nanotubos, y haciendo sogas que mantengan su fuerza, Este hallazgo proporciona una de las ideas fundamentales para desarrollar materiales superresistentes y ultraligeros para su uso en la construcción de los equipos de transporte más seguros y de menor consumo de combustible o estructuras arquitectónicas masivas.
