Une équipe de trois professeurs de génie mécanique de l'Université du Delaware, ainsi que des chercheurs de trois autres institutions académiques, collaborent pour développer des structures tridimensionnelles (3D) de nanotubes de carbone.

A la fois léger et solide, les nanotubes de carbone (CNT) sont considérés comme un matériau révolutionnaire avec de nombreuses applications utiles en raison de leur forme unique et d'une excellente mécanique, propriétés électriques et thermiques. Au cours des 20 dernières années, les chercheurs ont exploré leur utilisation dans l'électronique de pointe, l'optique et les matériaux de structure tels que les composites.

Alors que de nombreux scientifiques ont étudié les nanomatériaux de carbone sous des formes unidimensionnelles et bidimensionnelles pour les NTC et le graphène, respectivement, il s'agit de la première tentative de création et d'utilisation de réseaux solides de nanotubes de carbone 3D.

Dirigé par l'Université Rice, la subvention de 7,5 millions de dollars du ministère de la Défense (DOD) est financée par l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI). Le projet comprend des équipes de chercheurs de l'UD, l'Université d'État de Pennsylvanie et l'Université du Texas, Dallas.

Jonghwan Suhr, professeur assistant en génie mécanique, est le chercheur principal de l'UD sur le projet. Les professeurs Bingqing Wei et X. Lucas Lu sont les principaux enquêteurs. Les autres partenaires de la recherche sont Boeing, le Wright Patterson Air Force Research Laboratory et le Army Research Laboratory.

Chaque membre de l'équipe UD apporte des connaissances uniques au projet. L'expertise de Suhr réside dans les nanocomposites et les structures composites, tandis que les connaissances de Lu sont en biomécanique. Wei est spécialisé dans la synthèse de nanomatériaux et le stockage d'énergie. Le financement total de UD est de 1 million de dollars sur cinq ans.

«Afin d'appliquer la technologie des nanotubes de carbone dans des applications macroscopiques ou à grande échelle, il faut d'abord synthétiser et caractériser un robuste, nanotube de carbone 3D structurellement sain, », explique Suhr.

Tout en défiant, il pense qu'une architecture 3D rendra les NTC plus polyvalents et pourrait conduire à de nouvelles applications dans les matériaux structurels légers, stockage d'énergie et gestion thermique.

Un problème clé qui entrave leur progression est l'échec commun. Les NTC sont fabriqués à partir d'un arrangement complexe d'atomes de carbone synthétiques reliés par des articulations. La transition d'une architecture à une ou deux dimensions à une architecture à trois dimensions est fondamentalement difficile car les chercheurs doivent introduire des jonctions ou des joints à l'échelle atomique entre des éléments individuels à l'échelle nanométrique afin qu'ils puissent être organisés en un réseau 3D solide.

Suhr et ses collègues de l'UD prévoient de surmonter cette limitation en utilisant de nouvelles techniques de synthèse de nanomatériaux et en évaluant le nouveau nanomatériau 3D à l'aide de théories biomécaniques généralement appliquées au cartilage ou à l'os.

« Les nanotubes de carbone tridimensionnels sont poreux et viscoélastiques, semblable au tissu humain. Alors que le tissu humain est une combinaison de tissu et de fluide, les nanotubes de carbone sont une combinaison de matériau structurel et d'air, " dit Lou.

Une fois créé, l'équipe UD étudiera la réponse électromécanique du nanotube à l'aide d'émissions acoustiques, ondes sonores faites par la structure, pour tester la solidité de l'architecture tridimensionnelle. Après avoir déterminé à quelle charge le joint se rompt, l'équipe peut concevoir un moyen de surmonter cette lacune.

« L'objectif est de créer des matériaux solides par l'assemblage contrôlé et la liaison à l'échelle atomique d'éléments nanométriques, conduisant ainsi à des solides de réseau aux propriétés thermo-électro-mécaniques remarquablement améliorées, " dit Suhr, qui est également affilié au Center for Composite Materials de l'UD.

Si le projet réussit, Suhr dit, les chercheurs développeront une compréhension plus approfondie des relations structure-propriété nécessaires pour optimiser et finalement commercialiser des architectures de nanotubes de carbone 3D pour des applications industrielles. Les matériaux nanostructurés 3D véritablement interconnectés offriront également des améliorations de propriétés exceptionnelles pour les applications prenant en charge les initiatives stratégiques du DOD.

« Cette subvention prestigieuse offre une excellente opportunité pour Jonghwan et son équipe de créer de nouvelles percées fondamentales dans l'utilisation des nanotubes de carbone, » a fait remarquer Anette Karlsson, président du département de génie mécanique.