Novo processo desenvolvido por John Hart do MIT e outros podem produzir matrizes de formas 3-D, com base em nanotubos de carbono crescendo a partir de uma superfície. Neste exemplo, todos os nanotubos estão alinhados para se curvarem na mesma direção.
Uma equipe de pesquisadores criou uma nova maneira de fabricar superfícies microestruturadas com novas texturas tridimensionais. Essas superfícies, feito por automontagem de nanotubos de carbono, poderia exibir uma variedade de propriedades úteis - incluindo rigidez e resistência mecânica controláveis, ou a capacidade de repelir água em uma determinada direção.
"Demonstramos que forças mecânicas podem ser usadas para direcionar nanoestruturas para formar microestruturas tridimensionais complexas, e que podemos controlar de forma independente ... as propriedades mecânicas das microestruturas, "diz A. John Hart, o Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira da Mitsui de Engenharia Mecânica no MIT e autor sênior de um artigo que descreve a nova técnica na revista Nature Communications .
A técnica funciona induzindo os nanotubos de carbono a se dobrarem à medida que crescem. O mecanismo é análogo à dobra de uma tira bimetálica, usado como controle em termostatos antigos, à medida que aquece:um material se expande mais rápido do que outro ligado a ele. Mas neste novo processo, o material se dobra ao ser produzido por uma reação química.
O processo começa imprimindo dois padrões em um substrato:um é um catalisador de nanotubos de carbono; o segundo material modifica a taxa de crescimento dos nanotubos. Ao compensar os dois padrões, os pesquisadores mostraram que os nanotubos se dobram em formas previsíveis à medida que se estendem.
Ao imprimir diferentes padrões no substrato, esta técnica pode produzir uma grande variedade de formas 3-D complexas. Nessas imagens, o padrão impresso inicial é mostrado em forma de diagrama (canto superior esquerdo), seguido por imagens de microscópio eletrônico de varredura (SEM) das formas individuais de nanotubos de carbono que eles produzem. As principais imagens de SEM mostram uma série dessas formas:A, torcido, formas de hélice; B, semicírculos curvos para fora; C, deformação em espiral de microestruturas de paredes finas; e D, uma organização coletiva de formas dobradas em um padrão ondulado.
"Podemos especificar essas instruções bidimensionais simples, e fazer com que os nanotubos formem formas complexas em três dimensões, "diz Hart. Onde nanotubos crescendo em taxas diferentes são adjacentes, "eles se empurram e puxam uns aos outros, "produzindo formas mais complexas, Hart explica. "É um novo princípio de uso da mecânica para controlar o crescimento de um material nanoestruturado, " ele diz.
Poucos processos de fabricação de alto rendimento podem alcançar tal flexibilidade na criação de estruturas tridimensionais, Hart diz. Esta técnica, ele adiciona, é atraente porque pode ser usado para criar grandes extensões das estruturas simultaneamente; a forma de cada estrutura pode ser especificada projetando o padrão inicial. Hart diz que a técnica também pode permitir o controle de outras propriedades, como condutividade elétrica e térmica e reatividade química, anexando vários revestimentos aos nanotubos de carbono depois que eles crescem.
"Se você revestir as estruturas após o processo de crescimento, você pode modificar primorosamente suas propriedades, "diz Hart. Por exemplo, revestir os nanotubos com cerâmica, usando um método chamado deposição de camada atômica, permite que as propriedades mecânicas das estruturas sejam controladas. "Quando um revestimento espesso é depositado, temos uma superfície com rigidez excepcional, força, e resistência em relação à [sua] densidade, "Hart explica." Quando uma fina camada é depositada, as estruturas são muito flexíveis e resilientes. "
Esta abordagem também pode permitir a "replicação de alta fidelidade das estruturas intrincadas encontradas na pele de certas plantas e animais, "Hart diz, e poderia tornar possível a produção em massa de superfícies com características especializadas, como a capacidade de repelir água e adesiva de alguns insetos. "Estamos interessados em controlar essas propriedades fundamentais usando técnicas de manufatura escalonáveis, "Hart diz.
Imagens microscópicas de close-up de formas de nanotubos de carbono e ilustrações dos padrões que os produzem. À esquerda, uma forma curva simples, e à direita, formas curvas complexas da hélice, que pode ser produzido por este método de crescimento de nanotubos de carbono.
Hart diz que as superfícies têm a durabilidade de nanotubos de carbono, o que poderia permitir que sobrevivessem em ambientes hostis, e podem ser conectados à eletrônica e funcionar como sensores de sinais mecânicos ou químicos.
Kevin Turner, um professor associado de engenharia mecânica e mecânica aplicada da Universidade da Pensilvânia que não estava envolvido nesta pesquisa, diz que esta abordagem "é bastante nova porque permite a engenharia de microestruturas 3-D complexas [compostas] de nanotubos de carbono. Abordagens de microfabricação tradicionais, como padronização e gravura, geralmente só permitem a fabricação de estruturas 3-D simples que são essencialmente padrões 2-D extrudados. "
Turner acrescenta, "Um aspecto particularmente interessante deste trabalho é que as estruturas são compostas de nanotubos de carbono, que têm mecânica desejável, térmico, e propriedades elétricas. "
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
