Cái gì mạnh hơn 100 lần so với thép, nặng bằng 1/6 và có thể bị gãy như một cành cây bởi một bong bóng khí nhỏ? Câu trả lời là một ống nano carbon - và một nghiên cứu mới của các nhà khoa học thuộc Đại học Rice chi tiết chính xác cách thức các vật liệu nano được nghiên cứu nhiều chụp khi chịu các rung động siêu âm trong chất lỏng.
Nhà nghiên cứu kỹ thuật của Rice, Matteo Pasquali, nhà khoa học hàng đầu về nghiên cứu, xuất hiện trong tháng này trong Kỷ yếu của Quốc gia, cho biết: "Chúng tôi thấy rằng câu nói cũ" Tôi sẽ phá vỡ nhưng không uốn cong ". Học viện khoa học.
Cơ chế mà các ống nano carbon bị vỡ hoặc uốn cong dưới ảnh hưởng của bong bóng trong quá trình siêu âm là chủ đề của một bài báo mới do các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice dẫn đầu. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các ống nano ngắn được vẽ từ đầu đến cuối thành các bong bóng sụp đổ, kéo dài chúng, trong khi các ống dài hơn dễ bị vỡ hơn. Tín dụng hình ảnh: Phòng thí nghiệm Pasquali / Đại học Rice
Các ống nano carbon - các ống rỗng của carbon tinh khiết có chiều rộng tương đương một sợi DNA - là một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất trong công nghệ nano. Trong hơn một thập kỷ, các nhà khoa học đã sử dụng các rung động siêu âm để tách và chuẩn bị các ống nano trong phòng thí nghiệm. Trong nghiên cứu mới, Pasquali và các đồng nghiệp cho thấy quá trình này hoạt động như thế nào - và tại sao nó lại gây bất lợi cho các ống nano dài. Điều đó rất quan trọng đối với các nhà nghiên cứu muốn chế tạo và nghiên cứu các ống nano dài.
Pasquali, giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học và hóa học tại Rice cho biết, chúng tôi thấy rằng các ống nano dài và ngắn hoạt động rất khác nhau. Các ống nano ngắn hơn được kéo dài trong khi các ống nano dài hơn uốn cong. Cả hai cơ chế có thể dẫn đến phá vỡ.
Được phát hiện cách đây hơn 20 năm, ống nano carbon là một trong những vật liệu kỳ diệu ban đầu của công nghệ nano. Họ là anh em họ thân của buckyball, hạt mà phát hiện năm 1985 tại Rice đã giúp khởi đầu cuộc cách mạng công nghệ nano.
Nanotubes có thể được sử dụng trong pin và cảm biến có thể sơn, để chẩn đoán và điều trị bệnh và cho các dây cáp điện thế hệ tiếp theo trong lưới điện. Nhiều tính chất quang học và vật liệu của ống nano đã được phát hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Nano Rice Smalley, và phương pháp sản xuất quy mô lớn đầu tiên để chế tạo ống nano đơn tường được phát hiện tại Rice bởi Richard Smalley.
Micah Green, đồng tác giả của chế biến trong các chất lỏng rất quan trọng về mặt công nghiệp nhưng nó khá khó khăn vì chúng có xu hướng kết tụ lại với nhau. Những cụm ống nano này đã giành được sự hòa tan trong các dung môi thông thường, nhưng sự siêu âm có thể phá vỡ các cụm này để tách ra, tức là, phân tán, các ống nano.
Các ống nano mới phát triển có thể dài hơn hàng nghìn lần so với chiều rộng và mặc dù sonication rất hiệu quả trong việc phá vỡ các cụm, nhưng nó cũng làm cho các ống nano ngắn hơn. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương trình gọi là luật sức mạnh của người Hồi giáo mô tả mức độ rút ngắn này sẽ kịch tính như thế nào. Các nhà khoa học nhập năng lượng siêu âm và lượng thời gian mẫu sẽ được cách âm và định luật công suất cho chúng biết chiều dài trung bình của các ống nano sẽ được tạo ra. Các ống nano trở nên ngắn hơn khi công suất và thời gian phơi sáng tăng lên.
Vấn đề là có hai luật sức mạnh khác nhau phù hợp với những phát hiện thực nghiệm riêng biệt, và một trong số đó tạo ra một chiều dài ngắn hơn một cách tốt hơn so với cái kia, ông Pas Pasquali nói. Cẩu Nó không phải cái nào đúng và cái kia sai. Mỗi cái đã được xác minh bằng thực nghiệm, vì vậy, nó là một vấn đề hiểu tại sao. Philippe Poulin lần đầu tiên bộc lộ sự khác biệt này trong tài liệu và khiến tôi chú ý đến vấn đề này khi tôi đến thăm phòng thí nghiệm của anh ấy ba năm trước.
Để điều tra sự khác biệt này, Pasquali và các đồng tác giả nghiên cứu Guido Pagani, Micah Green và Poulin đã lập ra mô hình chính xác các tương tác giữa các ống nano và bong bóng sonication. Mô hình máy tính của họ, chạy trên siêu máy tính Rice Rocket Cray XD1, đã sử dụng kết hợp các kỹ thuật động lực học chất lỏng để mô phỏng chính xác sự tương tác. Khi nhóm nghiên cứu mô phỏng, họ phát hiện ra rằng các ống dài hơn hoạt động rất khác so với các đối tác ngắn hơn của chúng.
Nếu một ống nano ngắn, một đầu sẽ bị kéo xuống bởi bong bóng sụp đổ để ống nano được đặt thẳng về phía trung tâm của bong bóng, thì ông Pas Pasali nói. Trong trường hợp này, ống không uốn cong, nhưng khá căng. Hành vi này đã được dự đoán trước đây, nhưng chúng tôi cũng thấy rằng các ống nano dài đã làm điều gì đó bất ngờ. Mô hình cho thấy bong bóng sụp đổ đã thu hút các ống nano dài hơn vào giữa từ giữa, uốn cong chúng và chụp chúng như cành cây.
Pasquali cho biết mô hình cho thấy cả hai định luật điện có thể đúng như thế nào: Một là mô tả một quá trình ảnh hưởng đến các ống nano dài hơn và một mô tả khác về một quá trình ảnh hưởng đến các quy tắc ngắn hơn.
Đây là một sự linh hoạt để hiểu những gì đang xảy ra. Tuy nhiên, kết quả cuối cùng là chúng ta có một mô tả rất chính xác về những gì xảy ra khi ống nano được cách âm.
Các đồng tác giả nghiên cứu bao gồm Pagani, trước đây là một học giả thỉnh giảng tại Rice, người đã nghiên cứu quá trình siêu âm như một phần của nghiên cứu luận án thạc sĩ của ông; Green, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Evans Attwell-Welch tại Rice, hiện đang là giảng viên của Đại học Texas Tech; và Poulin, giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm National de la Recherche Victifique và là giảng viên tại Đại học Bordeaux ở Pessac, Pháp.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Phòng nghiên cứu khoa học của Không quân, Phòng thí nghiệm nghiên cứu không quân, Chương trình học bổng Evans Attwell-Welch của Quỹ Welch, Quỹ khoa học quốc gia, Cray, AMD, Viện công nghệ thông tin Ken Kennedy của Rice và Đại học Texas Tech Trung tâm tính toán hiệu năng cao.
Tái xuất bản với sự cho phép của Đại học Rice.