Les nanotubes de carbone (CNT) sont des structures tubulaires microscopiques que les ingénieurs « poussent » grâce à un processus mené dans un four à haute température. Les forces qui créent les structures CNT connues sous le nom de « forêts » sont souvent imprévisibles et sont pour la plupart laissées au hasard. Maintenant, un chercheur de l'Université du Missouri a mis au point un moyen de prédire la formation de ces structures complexes. En comprenant comment les tableaux CNT sont créés, les concepteurs et les ingénieurs peuvent mieux intégrer le matériau hautement adaptable dans des appareils et des produits tels que des battes de baseball, câblage aérospatial, armure de combat, composants logiques informatiques et microcapteurs utilisés dans les applications biomédicales.

Les NTC sont beaucoup plus petits que la largeur d'un cheveu humain et forment naturellement des "forêts" lorsqu'ils sont créés en grand nombre (voir photo). Ces forêts, maintenus ensemble par une force adhésive nanométrique connue sous le nom de force de van der Waals, sont classés en fonction de leur rigidité ou de leur alignement. Par exemple, si les NTC sont denses et bien alignés, le matériau a tendance à être plus rigide et peut être utile pour des applications électriques et mécaniques. Si les CNT sont désorganisés, ils ont tendance à être plus doux et ont des ensembles de propriétés entièrement différents.

"Les scientifiques apprennent encore comment se forment les réseaux de nanotubes de carbone, " a déclaré Matt Maschmann, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial au Collège d'ingénierie de MU. "Comme ils poussent en populations relativement denses, les forces mécaniques les combinent en assemblages orientés verticalement appelés forêts ou réseaux. Les structures complexes qu'elles forment aident à dicter les propriétés que possèdent les forêts de CNT. Nous travaillons à identifier les mécanismes qui sous-tendent la formation de ces forêts, comment contrôler leur formation et ainsi dicter les utilisations futures des NTC.

Actuellement, la plupart des modèles qui examinent les forêts de NTC analysent ce qui se passe lorsque vous les comprimez ou testez leurs propriétés thermiques ou de conductivité après leur formation. Cependant, ces modèles ne prennent pas en compte le processus par lequel cette forêt particulière a été créée et peinent à capturer une structure forestière réaliste de CNT.

Les expériences menées dans le laboratoire de Maschmann aideront les scientifiques à comprendre le processus et finalement à le contrôler, permettant aux ingénieurs de créer des forêts de nanotubes avec la mécanique souhaitée, propriétés thermiques et électriques. Il utilise la modélisation pour cartographier la façon dont les nanotubes se développent dans des types particuliers de forêts avant de tenter de tester leurs propriétés résultantes.

"L'avantage de cette approche est que nous pouvons cartographier comment différents paramètres de synthèse, telles que la température et la taille des particules de catalyseur, influencer la façon dont les nanotubes se forment tout en testant simultanément les forêts de CNT résultantes pour savoir comment elles se comporteront dans une simulation complète, " a déclaré Maschmann. " Je suis très encouragé par le fait que le modèle prédit avec succès comment ils se forment et leurs comportements mécaniques. Connaître l'organisation et le comportement des nanotubes aidera les ingénieurs à mieux intégrer les NTC dans la pratique, applications quotidiennes."

"Simulation intégrée de la croissance des forêts de nanotubes de carbone actif et de la compression mécanique, " sera publié dans le prochain numéro de la revue, Carbone .