Malgré leur petite taille et leur structure simple, les nanotubes de carbone - essentiellement des feuilles de graphène enroulées en pailles - ont toutes sortes de propriétés potentiellement utiles. Toujours, tandis que leur promesse se profile, comment réaliser pleinement cette promesse s'est avérée être quelque chose d'un mystère.
Dans un effort pour dépouiller une partie de ce mystère, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), le Massachusetts Institute of Technology et l'Université du Maryland ont mis au point des techniques de pointe de collecte et de traitement d'images pour cartographier en 3D la structure nanométrique des nanotubes de carbone à l'intérieur d'un matériau composite. La manière exacte dont les nanotubes sont distribués et disposés dans le matériau joue un rôle important dans ses propriétés globales. Les nouvelles données aideront les chercheurs qui étudient les matériaux composites à construire et à tester des modèles informatiques réalistes de matériaux avec un large éventail de paramètres thermiques, électrique, et les caractéristiques mécaniques.
Leurs recherches ont été présentées dans ACS Nano .
Les composites en fibre de carbone sont généralement appréciés pour leur haute résistance et leur faible poids, et les composites de nanotubes de carbone (CNT) (ou nanocomposites), qui ont des filaments de carbone plus nombreux et plus petits, promettent une résistance élevée ainsi que d'autres propriétés telles que la capacité de conduire la chaleur et l'électricité.
Cependant, selon Alex Liddle du NIST, un auteur de l'étude, alors que les chercheurs pouvaient auparavant mesurer de manière fiable les propriétés en vrac d'un nanocomposite, ils ne savaient pas exactement pourquoi diverses formulations du composite avaient des propriétés différentes.
« Pour comprendre pourquoi ces matériaux ont les propriétés qu'ils possèdent, il faut une analyse détaillée, compréhension quantitative de leur structure 3-D complexe, " dit Liddle. " Nous devons connaître non seulement la concentration des nanotubes mais aussi leur forme et leur position, et associez cela aux propriétés du matériau."
Vu que l'agencement des nanotubes de carbone dans un matériau composite est difficile, bien que, car ils sont entourés d'une résine époxy qui est aussi principalement des atomes de carbone. Même avec des sondes sophistiquées, le contraste est trop faible pour que les processeurs d'images logiciels les détectent facilement.
Dans de telles situations de recherche, vous vous tournez vers des étudiants diplômés et des post-doctorants comme Bharath Natarajan du NIST, parce que les humains fabriquent généralement d'excellents processeurs d'images. Mais marquer des milliers de nanotubes de carbone dans une image est très ennuyeux, Natarajan a donc conçu un algorithme de traitement d'image qui peut distinguer les CNT d'une résine époxy aussi bien qu'il le peut. Cela a payé.
Selon Liddle, un NTC exprime tout son potentiel en résistance et en conductivité thermique et électrique lorsqu'il est allongé et droit, mais …
"Lorsque les NTC sont suspendus dans une résine époxy, ils s'étalent, emballer et tordre en différentes formes, " dit Liddle. "Notre analyse a révélé que les avantages des NTC augmentent de manière non linéaire à mesure que leur concentration augmente. Au fur et à mesure que la concentration augmente, les CNT entrent en contact, augmenter le nombre de carrefours, ce qui augmente leur conductivité électrique et thermique, et le contact physique les fait se conformer l'un à l'autre, qui les redresse, augmenter la résistance du matériau."
Le fait que l'augmentation de la concentration des NTC améliore les propriétés n'est pas particulièrement surprenant, mais maintenant, les chercheurs savent comment cela affecte les propriétés des matériaux et pourquoi les modèles antérieurs de performances des matériaux nanocomposites n'ont jamais tout à fait correspondu à leurs performances dans la pratique.
"Nous n'avons vraiment vu que la pointe de l'iceberg en ce qui concerne cette classe de matériaux, " dit Liddle. " Il y a toutes sortes de façons dont d'autres chercheurs pourraient découper et découper les données pour modéliser et éventuellement fabriquer des matériaux optimaux pour la gestion thermique, renfort mécanique, stockage d'Energie, transport de drogue et autres utilisations.
