Rendu d'un modèle de diffusion de rayons X 2D contenant des informations sur la structure multi-échelle d'une « forêt » de nanotubes de carbone (CNT) sur quatre ordres de grandeur en échelle de longueur, une gamme beaucoup plus large qu'auparavant. Les caractéristiques entièrement résolues incluent le réseau graphitique et l'espacement des parois intercalaires, diamètre NTC, Espacement CNT et ondulations verticales. Crédit :Ryan Chen/LLNL
Tout comme les membres d'une fanfare s'alignent pour une représentation, les nanotubes de carbone créent une configuration similaire.
Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont récemment utilisé la diffusion des rayons X synchrotron pour capturer pleinement la structure hiérarchique dans les matériaux de nanotubes de carbone auto-organisés de l'échelle atomique au micromètre. Leur travail, récemment publié dans le numéro de juin de ACS Nano , est le premier à cartographier en continu l'ordre structurel des ensembles de nanotubes sur quatre ordres de grandeur en échelle de longueur, tout en employant une seule technique.
Des structures hiérarchiques complexes fabriquées à partir d'allotropes de nanocarbones synthétiques tels que les nanotubes et le graphène promettent de transformer d'innombrables applications dans les composites structuraux, nanoélectronique, stockage d'Energie, filtration et séparation. De même que l'arrangement des atomes et des défauts régit classiquement la fonction d'un matériau, de la même manière, l'ordre et l'alignement des blocs de construction à l'échelle nanométrique au sein d'un ensemble plus vaste influencent fortement les performances à l'échelle macroscopique du matériau. Un manque d'exhaustivité, la caractérisation structurelle à plusieurs échelles a été un goulot d'étranglement crucial pour progresser dans la synthèse ciblée par application de nanomatériaux hiérarchiques.
« Nous étions intéressés par la description de la structure entière des « forêts » de nanotubes de carbone alignés sur des échelles de longueur radicalement différentes, ce qui ne peut généralement pas être fait en utilisant une seule technique, comme la microscopie ou la spectroscopie conventionnelle, " a noté Eric Meshot, Scientifique du LLNL et auteur principal de l'étude. "La diffusion des rayons X est puissante car la taille de la caractéristique adressable est largement réglable simplement en fonction de l'énergie des rayons X entrants et de l'endroit où vous placez votre détecteur pour collecter les rayons X sortants."
Structure ondulée à l'échelle microscopique d'une « forêt » de CNT alignée verticalement, révélée par microscopie électronique (espace réel) et données correspondantes de diffusion des rayons X mous en médaillon (espace inverse). Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
Cette approche a permis aux membres de l'équipe d'établir des corrélations entre des échelles de longueur adjacentes, qui a révélé que la densité de tassement des nanotubes influence finalement l'alignement à chaque échelle de longueur. Notamment, les chercheurs ont forgé un nouveau terrain en utilisant des rayons X mous (à faible énergie) pour résoudre les modèles structurels à micro-échelle qui peuvent émerger le long de la direction de croissance des nanotubes. Étonnamment, ils ont découvert que ces matériaux de nanotubes de carbone peuvent former des ondulations verticales avec un ordre microscopique élevé malgré un ordre nanométrique faible.
L'impact de cette étude va au-delà de la compréhension fondamentale de la structure. L'équipe du LLNL a utilisé la diffusion des rayons X comme outil de travail pour évaluer la relation structure-performance dans les membranes de nanotubes de carbone alignées en vue de créer des vêtements respirants qui protègent contre les menaces biologiques. "Les caractéristiques structurelles comme la distribution de la taille des pores, la densité des pores et la tortuosité dictent les performances de transport de la membrane et peuvent être facilement quantifiées avec des méthodes aux rayons X, " a expliqué Francesco Fornasiero, Scientifique du LLNL et chercheur principal du projet.
Pour ce travail, l'équipe a tiré parti d'une étroite collaboration avec Advanced Light Source (ALS) et Molecular Foundry. "Nous aimerions voir plus de ce type de" pollinisation croisée "entre les installations du DOE afin que nos utilisateurs puissent exploiter pleinement la caractérisation structurelle de pointe à l'ALS pour éclairer la synthèse de la nanostructure à la fonderie, " a déclaré Teyve Kuykendall, ingénieur scientifique principal à la Molecular Foundry et co-auteur de l'étude.
« Nous sommes ravis d'aller de l'avant pour explorer comment nous pouvons utiliser des outils de diffusion des rayons X pour déchiffrer en temps réel la structure du matériau en fonction de l'échelle de longueur, temps et alchimie tous ensemble, " a ajouté Cheng Wang, scientifique à l'ALS et co-auteur de ce travail. Cet éventail d'informations serait important pour établir des relations structure-propriété à plusieurs échelles vers une conception et une fabrication orientées vers les applications.
