Metoda pomiaru sił odrywających nanorurki od powierzchni

Metoda pomiaru sił odrywających nanorurki od powierzchni

Naukowcy z Purdue University jako pierwsi zmierzyli precyzyjnie siły potrzebne do oczyszczania miniaturowych nanorurek z innych materiałów. Otwiera to możliwość stworzenia standardów nano-produkcji oraz opanowania umiejętności wspinania się po murach wzorowanego na gekonach.

„Tak zwane ‘testy złuszczania’ są powszechnie wykorzystywane w produkcji. Wiedza o tym ile siły jest potrzebne, by oderwać jeden materiał od drugiego jest w procesie produkcji kluczowa, jednakże nie istnieją dziś testy dla nano-struktur,” - przyznał Arvind Raman, profesor inżynierii mechanicznej na Purdue University.

Elastyczne nanorurki węglowe przylegają do powierzchni inaczej niż większe struktury ze względu na siły van der Waalsa oddziaływujące pomiędzy pojedynczymi atomami. „Praca w środowisku w skali nano sprawia przez siły van der Waalsa wrażenie jakby wszędzie wokół były porozklejane lepy na muchy,” – powiedział Raman. „W tej skali odgrywają one ogromną rolę.”

Pierwsze pomiary tego rodzaju w skali nano wykonał Mark Strus z Birck Nanotechnology Center w Purdue Discovery Park. Energia potrzebna do oddzielenia nanorurki od powierzchni mierzona jest w ‘nanoniutonach’ i jest ona miliard razy mniejsza niż energia potrzebna do podniesienia filiżanki kawy.

Nanorurki są szansą na produkcję nowej klasy materiałów kompozytowych, które są silniejsze niż tradycyjne kompozyty używane dziś w samochodach, czy samolotach. „Wciąż trwają w tym obszarze intensywne badania, gdyż siła nanorurek może być zdecydowanie większa niż włókien węglowych,” – powiedział Raman. Jednakże, właściwe złożenie nanorurek węglowych z polimerami w materiały kompozytowe wymaga wiedzy dotyczącej tego jak połączyć nanorurki z polimerami. „Jednym z większych zagadnień w kwestii kompozytów i nano-kompozytów jest to, jak pokryć włókna materiałem, który poprawi siłę łączenia,” – powiedział Raman. „Jest więc naprawdę istotne, by wiedzieć to, które powłoki lepiej pasują do poszczególnych włókien. W skali makro, taka wiedza jest dziś powszechnie znana.”

Raman i Strus odkryli, że rurki nie oddzielają się łagodnie, ale po prostu nagle się odrywają. „Zaobserwowaliśmy skoki siły oddzielającej, podczas których nanorurki nagle się odrywały. Zachowanie takie może zostać właściwie opisane jedynie przez modele matematyczne,” – przyznał Raman.

Tymczasem Byron Pipes oraz Luis Zalamea opracowali modele teoretyczne pozwalające opisać jak nanorurki będą się odrywać od powierzchni oraz wzajemnie od siebie. Wspólnie naukowcy pracowali nad stworzeniem wiernego modelu, który pozwoli wyjaśnić dlaczego nanorurki odrywają się tak nierównomiernie.

Nanorurki wykorzystywane w badaniach miały długość 6 mikronów i szerokość 40 nanometrów, czyli były 500 razy cieńsze od ludzkiego włosa.

Naukowcy wykorzystali do pomiaru sił mikroskop atomowy. Nanorurki zostały umocowane do mikro-dźwigni będącej częścią mikroskopu. Za każdym razem, gdy nanorurka była odrywana od powierzchni, dźwignia wyginała się. Wygięcie było śledzone przez laser, co pozwoliło określić siłę potrzebną do oderwania nanorurki.

Badania były prowadzone przy wsparciu National Science Foundation oraz Korean Center for Nanomanufacturing and Mechatronics.

(lk)