Las películas son creación del estudiante de posgrado Joseph Romano a partir de imágenes de video de alta velocidad tomadas dentro del microscopio electrónico de Hart. Documentan por primera vez cómo cambia la forma de un nanotubo de carbono cuando se dobla, proporcionando nueva información valiosa para los científicos que buscan comprender el comportamiento de los nanotubos y diseñar nuevos materiales basados en ellos.
"Estas son las primeras observaciones en tiempo real de la flexión de nanotubos de carbono individuales", dijo Romano, quien presentó la investigación recientemente en la reunión de otoño de la Sociedad de Investigación de Materiales en Boston. "Están abriendo una nueva vía para explorar las propiedades de estos materiales extraordinarios".
Los nanotubos de carbono suelen tener unos pocos nanómetros de diámetro y pueden tener varios micrómetros de largo. En comparación, el ancho de un cabello humano es de unos 50.000 nanómetros. Debido a su pequeño tamaño, los nanotubos de carbono se han estudiado principalmente con microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión, las cuales proporcionan imágenes estáticas en lugar de videos en tiempo real.
Hart y Romano desarrollaron un nuevo método para capturar imágenes de vídeo de nanotubos de carbono individuales utilizando un microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM). El ESEM se diferencia de un microscopio electrónico de barrido tradicional en que contiene una pequeña cámara llena de un gas a baja presión, en este caso, vapor de agua. El gas proporciona suficiente resistencia al haz de electrones para evitar que vaporice los nanotubos de carbono, lo que permite obtener imágenes de ellos en tiempo real.
Para hacer una película de un nanotubo de carbono doblándose, Romano suspendió un nanotubo a través de una pequeña zanja en un chip de silicio y luego usó un manipulador de precisión para empujar el nanotubo. Mientras el nanotubo se doblaba, Romano grabó imágenes de vídeo del proceso.
Las películas revelan que los nanotubos de carbono se doblan de una manera única. Cuando se pulsa una cuerda de guitarra, vibra a una frecuencia específica, produciendo una nota. De manera similar, cuando un nanotubo de carbono se dobla, vibra a una frecuencia específica. La frecuencia depende de la longitud y el grosor del nanotubo, así como de la fuerza que se le aplica.
Al analizar las películas, Romano pudo determinar el módulo de Young de los nanotubos de carbono, una medida de su rigidez. Se descubrió que el módulo de Young de los nanotubos de carbono que estudió Romano era de aproximadamente 1 teraPascal (TPa), que es comparable al módulo de Young del diamante, el material más duro conocido.
Las películas también ofrecen nuevos conocimientos sobre las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono. Por ejemplo, muestran que los nanotubos de carbono pueden soportar grandes curvaturas sin romperse, lo que indica que son extremadamente resistentes.
Se espera que los nuevos hallazgos de la investigación tengan implicaciones para el diseño y la aplicación de materiales basados en nanotubos de carbono. Por ejemplo, los nanotubos de carbono podrían usarse para fabricar fibras ultrarresistentes para usar en materiales livianos o como sensores que detectan la presencia de sustancias químicas específicas.
"Las aplicaciones potenciales de los nanotubos de carbono son enormes", afirmó Romano. "Al comprender las propiedades mecánicas de estos materiales, podemos abrir la puerta a aplicaciones nuevas e innovadoras".
