Os pesquisadores criam padrões previsíveis a partir de nanotubos de carbono imprevisíveis
p Uma imagem ótica recolorida obtida por pesquisadores do MIT mostra uma célula de nanotubo de carbono em forma de coração. Uma versão da imagem está na capa da edição impressa de 14 de fevereiro da Physical Chemistry Chemical Physics. Crédito:Ashley Kaiser e Itai Stein / MIT
p Integrando fibras em nanoescala, como nanotubos de carbono (CNTs) em aplicações comerciais, de revestimentos para asas de aeronaves a dissipadores de calor para computação móvel, exige que sejam produzidos em larga escala e a baixo custo. A deposição de vapor químico (CVD) é uma abordagem promissora para fabricar CNTs nas escalas necessárias, mas ele produz CNTs que são muito esparsos e compatíveis para a maioria das aplicações. p Aplicar e evaporar algumas gotas de um líquido como a acetona nos CNTs é fácil, método econômico para compactá-los com mais firmeza e aumentar sua rigidez, mas até agora, não havia como prever a geometria dessas células CNT.
p Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora um método sistemático para prever os padrões bidimensionais que os arrays CNT formam depois de empacotados, ou densificado, evaporando gotas de acetona ou etanol. O tamanho da célula CNT e a rigidez da parede aumentam proporcionalmente com a altura da célula, eles relatam na edição de 14 de fevereiro da
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p Uma maneira de pensar nesse comportamento do CNT é imaginar como as fibras emaranhadas, como cabelo molhado ou espaguete, se reforçam mutuamente. Quanto maior for esta região emaranhada, quanto maior será sua resistência à flexão. De forma similar, CNTs mais longos podem reforçar-se melhor um ao outro na parede celular. Os pesquisadores também descobriram que a força de ligação do CNT à base em que são produzidos, nesse caso, silício, dá uma contribuição importante para prever os padrões celulares que esses CNTs formarão.
p "Essas descobertas são diretamente aplicáveis à indústria, porque quando você usa CVD, você obtém nanotubos com curvatura, aleatoriedade, e são ondulados, e há uma grande necessidade de um método que possa facilmente mitigar esses defeitos sem quebrar o banco, "diz Itai Stein SM '13, Ph.D. '16, que é pós-doutorado no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica. Os co-autores incluem ciência de materiais e estudante de graduação em engenharia Ashley Kaiser, pós-doutorado em engenharia mecânica Kehang Cui, e o autor sênior Brian Wardle, professor de aeronáutica e astronáutica.
p Nanotubos de carbono alinhados (CNTs) crescidos por deposição de vapor químico são tipicamente ondulados, como visto na vista lateral no centro da ilustração, ao invés de direto, conforme ilustrado em um único nanotubo à direita. Eles também se estabelecem em padrões um tanto aleatórios, conforme mostrado na caixa no canto superior esquerdo. A ondulação reduz a rigidez das matrizes de CNT em até 100, 000 vezes, mas sua rigidez pode ser aumentada pela densificação, ou comprimindo, os aglomerados de nanotubos de duas direções diferentes. Crédito:Itai Stein / MIT
p "De nosso trabalho anterior sobre nanotubos de carbono alinhados e seus compostos, aprendemos que embalar de forma mais compacta os CNTs é uma maneira altamente eficaz de projetar suas propriedades, "diz Wardle." O desafio é desenvolver uma maneira fácil de fazer isso em escalas que sejam relevantes para aeronaves comerciais (centenas de metros), e os recursos preditivos que desenvolvemos aqui são um grande passo nessa direção. "
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Medidas detalhadas
p Nanotubos de carbono são altamente desejáveis por causa de sua temperatura, elétrico, e propriedades mecânicas, que são direcionalmente dependentes. Trabalhos anteriores no laboratório de Wardle demonstraram que a ondulação reduz a rigidez das matrizes de CNT em até 100 vezes, e até 100, 000 vezes. O termo técnico para essa rigidez, ou capacidade de dobrar sem quebrar, é o módulo de elasticidade. Nanotubos de carbono são de 1, 000 a 10, 000 vezes mais do que grossas, então eles se deformam principalmente ao longo de seu comprimento.
p Para um artigo anterior publicado na revista
Cartas de Física Aplicada , Stein e colegas usaram técnicas de nanoindentação para medir a rigidez de arranjos de nanotubos de carbono alinhados e descobriram que sua rigidez era de 1/1, 000 a 1/10, 000 vezes menos do que a rigidez teórica dos nanotubos de carbono individuais. Stein, Wardle, e a ex-estudante de graduação visitante do MIT, Hülya Cebeci, também desenvolveu um modelo teórico explicando as mudanças em diferentes densidades de empacotamento das nanofibras.
p O novo trabalho mostra que os CNTs compactados pelas forças capilares, primeiro umedecendo-os com acetona ou etanol e depois evaporando o líquido, também produzem CNTs que são centenas a milhares de vezes menos rígidos do que o esperado pelos valores teóricos. Este efeito capilar, conhecido como elastocapilaridade, é semelhante a como uma esponja geralmente seca em uma forma mais compacta depois de ser molhada e seca.
p Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura mostra que nanotubos de carbono alinhados tratados termicamente se auto-montam em células com paredes celulares claramente definidas quando são densificadas pela aplicação e evaporação de algumas gotas de acetona líquida ou etanol. Os pesquisadores do MIT desenvolveram um método sistemático para prever a geometria dos padrões celulares bidimensionais que esses nanotubos formarão. As linhas brilhantes representam as bordas superiores das paredes celulares, enquanto as porções mais escuras representam os nanotubos mais próximos da base do substrato de silício, que é visto nos espaços planos entre as paredes das células. Crédito:Ashley Kaiser / MIT
p "Todas as nossas descobertas apontam para o fato de que o módulo de parede de CNT é muito menor do que o valor normalmente assumido para CNTs perfeitos porque os CNTs subjacentes não são retos, "diz Stein." Nossos cálculos mostram que a parede do CNT é pelo menos duas ordens de magnitude menos rígida do que esperamos para os CNTs retos, portanto, podemos concluir que os CNTs devem ser ondulados. "
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O calor adiciona força
p Os pesquisadores usaram uma técnica de aquecimento para aumentar a adesão do original, matrizes de CNT não densificadas para seu substrato de wafer de silício. Os CNTs densificados após o tratamento térmico foram cerca de quatro vezes mais difíceis de separar da base de silício do que os CNTs não tratados. Kaiser e Stein, que compartilham a primeira autoria do artigo, estão atualmente desenvolvendo um modelo analítico para descrever este fenômeno e ajustar a força de adesão, o que permitiria ainda mais a previsão e o controle de tais estruturas.
p "Muitas aplicações de nanotubos de carbono alinhados verticalmente [VACNTs], como interconexões elétricas, requerem matrizes muito mais densas de nanotubos do que o que é normalmente obtido para VACNTs conforme crescido sintetizado por deposição química de vapor, "diz Mostafa Bedewy, professor assistente da Universidade de Pittsburgh, que não estava envolvido neste trabalho. "Portanto, métodos para densificação pós-crescimento, tais como aqueles baseados na alavancagem da elastocapilaridade foram mostrados anteriormente para criar interessantes estruturas de CNT densificadas. Contudo, ainda há uma necessidade de uma melhor compreensão quantitativa dos fatores que governam a formação de células em matrizes densificadas de grandes áreas de VACNTs. O novo estudo dos autores contribui para atender a essa necessidade, fornecendo resultados experimentais, juntamente com ideias de modelagem, correlacionar parâmetros como altura de VACNT e adesão de substrato de VACNT à morfologia celular resultante após densificação.
p "Ainda existem questões remanescentes sobre como a variação espacial da densidade do CNT, tortuosidade [torção], e a distribuição do diâmetro ao longo da altura VACNT afeta o processo de densificação capilar, especialmente porque os gradientes verticais desses recursos podem ser diferentes ao comparar duas matrizes VACNT com alturas diferentes, "diz Bedewy." Trabalhos adicionais incorporando o mapeamento espacial da morfologia VACNT interna seriam esclarecedores, embora seja um desafio, pois requer a combinação de um conjunto de técnicas de caracterização. "
p (Detalhe da imagem anterior.) Os pesquisadores do MIT relatam que o tamanho da célula CNT e a rigidez da parede aumentam proporcionalmente com a altura da célula. Crédito:Ashley Kaiser / MIT
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Padrões pitorescos
p Kaiser, que foi um MIT Summer Scholar 2016, analisou as matrizes de CNT densificadas com microscopia eletrônica de varredura (SEM) nas Instalações Experimentais Compartilhadas suportadas por NSF-MRSEC do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. Embora a aplicação suave de líquido nas matrizes de CNT neste estudo, fizesse com que elas se densificassem em células previsíveis, imergir vigorosamente os CNTs em líquido transmite forças muito mais fortes a eles, formando redes CNT de forma aleatória. "Quando começamos a explorar os métodos de densificação, Eu descobri que essa técnica poderosa densificou nossas matrizes de CNT em padrões altamente imprevisíveis e interessantes, "diz Kaiser." Como visto opticamente e via SEM, esses padrões muitas vezes se assemelhavam a animais, rostos, e até mesmo um coração - era um pouco como procurar formas nas nuvens. "Uma versão colorida de sua imagem óptica mostrando um coração CNT é destaque na capa da edição impressa de 14 de fevereiro de
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p "Eu acho que há uma beleza subjacente neste processo de automontagem e densificação de nanofibras, além de suas aplicações práticas, "Kaiser acrescenta." Os CNTs se densificam tão fácil e rapidamente em padrões depois de simplesmente serem molhados por um líquido. Ser capaz de quantificar com precisão esse comportamento é emocionante, pois pode permitir o projeto e a fabricação de nanomateriais escaláveis. " p
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.