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麻省理工学院研究人员获得的重新光学图像显示了一个心形碳纳米管单元图像的一个版本在2月14日印刷版物理化学化学物理学的封面上有特色:Ashley Kaiser和Itai Stein / MIT整合纳米级纤维等作为碳纳米管(CNTs)进入商业应用,从用于飞机机翼的涂层到用于移动计算的散热器,要求它们以大规模和低成本生产化学气相沉积(CVD)是制造所需CNT的有前景的方法鳞片,但它产生的CNT太稀疏,并且适用于大多数应用将几滴液体如丙酮应用并蒸发到CNTs是一种简单,经济的方法,可以将它们紧密地包装在一起并增加它们的硬度,但是到目前为止,没有办法预测这些CNT细胞的几何形状MIT研究人员现已开发出一种系统方法来预测CNT arr的二维模式通过蒸发丙酮或乙醇的液滴将它们包装在一起或致密化后形成CNT细胞大小和壁刚度与细胞高度成比例增长,他们在2月14日的物理化学化学物理学报告中报告了这种CNT的一种方法行为是想象如潮湿的头发或意大利细面条等纠缠纤维如何相互加强。这个纠缠区域越大,它对弯曲的抵抗力就越高。同样,更长的碳纳米管可以在细胞壁中更好地相互加强研究人员还发现CNT与生成它们的基底的结合强度,在这种情况下是硅,对预测这些CNT将形成的细胞图案起重要作用。通过化学气相沉积生长的对齐碳纳米管(CNT)通常是波状的,如在插图中心的侧视图,而不是直的,如右边的单个纳米管所示它们也有点随机图案,如左上方的框所示波纹度将CNT阵列的刚度降低了100,000倍,但是通过从两个不同方向致密化或压缩纳米管簇可以增加它们的刚度图像:Itai Stein / MIT“这些发现直接适用于工业,因为当你使用CVD时,你会得到具有曲率,随机性和波浪状的纳米管,并且非常需要一种能够在不破坏银行的情况下轻松减轻这些缺陷的方法,“Itai Stein SM '13说道, PhD '16是航空航天系的博士后合着者,包括材料科学与工程研究生Ashley Kaiser,机械工程博士后Kehang Cui,以及资深作者Brian Wardle,航空航天教授“来自我们以前的工作在对齐的碳纳米管及其复合材料上,我们了解到更紧密地包装碳纳米管是一种非常有效的方法来设计它们的性能,“沃德尔说。具有挑战性的部分是开发一种在与商用飞机(数百米)相关的尺度上实现这一目标的简便方法,我们在这里开发的预测能力是朝这个方向迈出的一大步“详细测量碳纳米管是非常需要的,因为它们的热性能,电性能和机械性能取决于方向性依赖于Wardle实验室的早期工作表明,波纹度可将CNT阵列的刚度降低100倍,最多可达100,000倍。这种刚度或弯曲能力的技术术语没有破坏,是弹性模量碳纳米管比它们厚的长1000到10,000倍,因此它们主要沿着它们的长度变形对于早期发表在应用物理快报杂志上的论文,Stein及其同事使用纳米压痕技术来测量对齐的刚度碳纳米管阵列发现它们的刚度比t小1 / 1,000到1 / 10,000倍单个碳纳米管的理论刚度斯坦,沃德和前访问麻省理工学院的研究生HülyaCebeci也开发了一个理论模型,解释了纳米纤维不同堆积密度的变化。新工作表明碳纳米管受到毛细力的压缩,首先用丙酮润湿它们或乙醇然后蒸发液体也产生的CNT比理论值预期的硬度低数百至数千倍 这种毛细管效应,称为弹性毛细管现象,类似于海绵在湿润和干燥后经常干燥成更紧凑的形状“我们的发现都表明CNT壁模量远低于通常假设的值。完美的碳纳米管,因为底层的碳纳米管不直,“斯坦说。”我们的计算表明,碳纳米管壁至少比我们对直碳纳米管的预期硬度低两个数量级,因此我们可以得出结论,碳纳米管必须是波浪状的“扫描电子显微镜图像显示热处理的定向碳纳米管通过应用和蒸发几滴液体丙酮或乙醇致密化后,自组装成具有明确细胞壁的细胞。麻省理工学院研究人员开发了一种系统方法来预测几何形状。这些纳米管将形成亮线的二维细胞图案代表细胞壁的顶部边缘,而较暗的部分代表更接近s的纳米管细胞壁之间的平坦空间中可见硅基底图像:Ashley Kaiser / MIT加热强度研究人员使用加热技术来增加其原始的未致密CNT阵列与其硅晶片基板CNT在热处理后致密化的粘附性与未经处理的碳纳米管相比,硅基的分离难度大约是其四倍。凯撒和斯坦因共享该论文的第一作者,目前正在开发一种分析模型来描述这种现象并调整粘附力,这将进一步预测和控制这种结构“垂直排列的碳纳米管[VACNTs]的许多应用,例如电互连,需要比通过化学气相沉积合成的生长的VACNT通常获得的更密集的纳米管阵列,”Mostafa Bedewy说,他是助理教授。匹兹堡大学,没有参与这项工作“因此,后生长的方法densific以前已经证明,基于利用弹性毛细管现象的那些产生了有趣的致密CNT结构。然而,仍然需要更好地定量理解控制VACNT的致密大面积阵列中细胞形成的因素。作者通过提供实验结果,结合建模见解,将VACNT高度和VACNT-底物粘附等参数与致密化后产生的细胞形态相关联,有助于满足这一需求。“关于CNT密度的空间变化如何仍然存在问题,弯曲度[扭曲]和VACNT高度上的直径分布影响毛细管致密化过程,特别是因为比较两个具有不同高度的VACNT阵列时这些特征的垂直梯度可能不同,“Bedewy说道”进一步的工作结合了内部VACNT形态的空间映射虽然很有启发性h它将具有挑战性,因为它需要结合一套表征技术“(前一图像的细节)麻省理工学院的研究人员报告说,CNT细胞大小和墙壁刚度与细胞高度成比例增长图像:Ashley Kaiser / MIT风景如画的图案Kaiser,他是2016年麻省理工学院夏季学者在麻省理工学院材料研究实验室的NSF-MRSEC支持的共享实验设施中用扫描电子显微镜(SEM)分析了致密CNT阵列在本研究中温和地将液体施加到CNT阵列使得它们致密化成可预测的细胞,大力将CNT浸入液体中会给它们带来更强大的力,形成随机形状的CNT网络“当我们第一次开始探索致密化方法时,我发现这种强有力的技术将我们的CNT阵列变成了高度不可预测和有趣的模式,”Kaiser说道。通过SEM,这些模式通常类似于动物,面孔,甚至是心脏 - 它有点像喜欢在云中寻找形状“2月14日印刷版物理化学化学物理学的封面上展示了她的光学图像的彩色版本,显示了CNT心脏”我认为这种纳米纤维自组装有一个潜在的美感。致密化过程,除了实际应用外,“Kaiser补充说”CNTs在被液体润湿后如此轻松快速地致密化成图案 能够准确量化这种行为是令人兴奋的,因为它可以使可扩展纳米材料的设计和制造“这项工作利用麻省理工学院材料研究实验室共享实验设施,部分由美国国家科学基金会的MRSEC计划支持和麻省理工学院微系统技术实验室这项研究部分由空中客车公司,ANSYS公司,巴西航空工业公司,洛克希德马丁公司,萨博公司,Saertex公司和Toho Tenax公司通过麻省理工学院的纳米工程复合航空结构联盟和NASA通过超强复合材料研究所提供支持。通过计算设计出版物:Ashley L Kaiser等,“Process-morphology scaling relations quantify self-organization in capillary densified nanofiber arrays,”PCCP,2018; doi:101039 / C7CP06869G来源:Denis Paiste,