Renderização de um padrão de espalhamento de raios-X 2D contendo informações sobre a estrutura multiescala de uma 'floresta' de nanotubo de carbono (CNT) em quatro ordens de magnitude na escala de comprimento, uma gama muito mais ampla do que a alcançada anteriormente. Os recursos totalmente resolvidos incluem a rede grafítica e o espaçamento da parede entre camadas, Diâmetro CNT, Espaçamento CNT e ondulações verticais. Crédito:Ryan Chen / LLNL
Assim como os membros de uma banda marcial se alinham para uma apresentação, nanotubos de carbono criam uma configuração semelhante.
Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) recentemente usaram o espalhamento de raios-X síncrotron para capturar totalmente a estrutura hierárquica em materiais de nanotubos de carbono auto-organizados, desde a escala atômica até a escala micrométrica. Trabalho deles, publicado recentemente na edição de junho da ACS Nano , é o primeiro a mapear continuamente a ordem estrutural dos conjuntos de nanotubos em quatro ordens de magnitude em escala de comprimento, ao mesmo tempo, empregando uma única técnica.
Estruturas hierárquicas complexas feitas de alótropos de nanocarbono sintético, como nanotubos e grafeno, prometem transformar inúmeras aplicações em compostos estruturais, nanoeletrônica, armazenamento de energia, filtração e separação. Assim como o arranjo de átomos e defeitos governam classicamente a função de um material, de maneira semelhante, a ordem e o alinhamento dos blocos de construção em nanoescala dentro de um conjunto maior influenciam fortemente o desempenho da macroescala do material. A falta de abrangência, a caracterização estrutural multiescala tem sido um gargalo crucial para o progresso na síntese direcionada a aplicativos de nanomateriais hierárquicos.
"Estávamos interessados em descrever toda a estrutura das 'florestas' de nanotubos de carbono alinhadas em escalas de comprimento dramaticamente diferentes, o que normalmente não pode ser feito usando apenas uma técnica, como microscopia convencional ou espectroscopia, "observou Eric Meshot, Cientista do LLNL e principal autor do estudo. "O espalhamento de raios-X é poderoso porque o tamanho do recurso endereçável é amplamente ajustável simplesmente com base na energia de raios-X de entrada e onde você coloca seu detector para coletar os raios-X de saída."
Estrutura em microescala ondulada de uma 'floresta' de CNT alinhada verticalmente revelada por microscopia eletrônica (espaço real) e dados de espalhamento de raios-X macios correspondentes (espaço inverso). Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Livermore
Esta abordagem permitiu que os membros da equipe desenhassem correlações entre escalas de comprimento adjacentes, que revelou que a densidade de empacotamento dos nanotubos, em última análise, influencia o alinhamento em todas as escalas de comprimento. Notavelmente, os pesquisadores abriram novos caminhos usando raios X suaves (de baixa energia) para resolver padrões estruturais em microescala que podem surgir ao longo da direção de crescimento do nanotubo. Surpreendentemente, eles descobriram que esses materiais de nanotubos de carbono podem formar ondulações verticais com alta ordem em microescala, apesar de terem baixa ordem em nanoescala.
O impacto deste estudo vai além da compreensão fundamental da estrutura. A equipe LLNL usou o espalhamento de raios-X como uma capacidade robusta para avaliar a relação estrutura-desempenho em membranas de nanotubos de carbono alinhadas para a construção de roupas respiráveis que protegem contra ameaças biológicas. "Características estruturais, como distribuição do tamanho dos poros, densidade de poros e tortuosidade ditam o desempenho de transporte de membrana e podem ser quantificados facilmente com métodos de raios-X, "explicou Francesco Fornasiero, Cientista do LLNL e investigador principal do projeto.
Para este trabalho, a equipe alavancou uma estreita colaboração com a Advanced Light Source (ALS) e a Molecular Foundry. "Gostaríamos de ver mais deste tipo de 'polinização cruzada' entre as instalações do DOE para que nossos usuários possam explorar totalmente a caracterização estrutural de ponta no ALS para informar a síntese de nanoestruturas na Fundição, "disse Teyve Kuykendall, um dos principais engenheiros científicos da Molecular Foundry e co-autor do estudo.
"Estamos entusiasmados em avançar para explorar como podemos usar ferramentas de espalhamento de raios-X para decifrar a estrutura do material em tempo real em função da escala de comprimento, tempo e química todos juntos, "acrescentou Cheng Wang, um cientista da equipe da ALS e co-autor deste trabalho. Esse conjunto de informações seria significativo para estabelecer relacionamentos multiescala entre estrutura e propriedade para o projeto e a manufatura orientados a aplicativos.
