Une image optique recolorée obtenue par des chercheurs du MIT montre une cellule de nanotube de carbone en forme de cœur. Une version de l'image figure sur la couverture de l'édition imprimée du 14 février de Physical Chemistry Chemical Physics. Crédit :Ashley Kaiser et Itai Stein/MIT
Intégrer des fibres nanométriques telles que les nanotubes de carbone (CNT) dans des applications commerciales, des revêtements pour ailes d'avions aux dissipateurs thermiques pour l'informatique mobile, exige qu'elles soient produites à grande échelle et à faible coût. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une approche prometteuse pour fabriquer des NTC aux échelles nécessaires, mais il produit des CNT trop clairsemés et conformes pour la plupart des applications.
L'application et l'évaporation de quelques gouttes d'un liquide tel que l'acétone sur les NTC est une méthode simple, méthode rentable pour les emballer plus étroitement et augmenter leur rigidité, mais jusqu'à maintenant, il n'y avait aucun moyen de prévoir la géométrie de ces cellules CNT.
Les chercheurs du MIT ont maintenant développé une méthode systématique pour prédire les modèles bidimensionnels formés par les matrices CNT après leur assemblage, ou densifié, en évaporant des gouttes d'acétone ou d'éthanol. La taille des cellules CNT et la rigidité de la paroi augmentent proportionnellement à la hauteur des cellules, ils rapportent dans le numéro du 14 février de Chimie Physique Physique Chimique .
Une façon de penser à ce comportement de CNT est d'imaginer comment les fibres enchevêtrées telles que les cheveux mouillés ou les spaghettis se renforcent mutuellement. Plus cette région enchevêtrée est grande, plus sa résistance à la flexion sera élevée. De la même manière, des NTC plus longs peuvent mieux se renforcer mutuellement dans une paroi cellulaire. Les chercheurs constatent également que la force de liaison des CNT à la base sur laquelle ils sont produits, dans ce cas, silicium, apporte une contribution importante à la prédiction des modèles cellulaires que ces NTC formeront.
"Ces résultats sont directement applicables à l'industrie car lorsque vous utilisez les CVD, vous obtenez des nanotubes qui ont une courbure, aléatoire, et sont ondulés, et il y a un grand besoin d'une méthode qui puisse facilement atténuer ces défauts sans se ruiner, " dit Itai Stein SM '13, doctorat '16, qui est post-doctorant au Département d'aéronautique et d'astronautique. Les co-auteurs incluent Ashley Kaiser, étudiante diplômée en science des matériaux et en génie, post-doctorat en génie mécanique Kehang Cui, et auteur principal Brian Wardle, professeur d'aéronautique et d'astronautique.
Les nanotubes de carbone alignés (CNT) cultivés par dépôt chimique en phase vapeur sont généralement ondulés, comme on le voit dans la vue latérale au centre de l'illustration, plutôt que droit, comme illustré dans un seul nanotube à droite. Ils s'installent également dans des motifs quelque peu aléatoires, comme indiqué dans l'encadré en haut à gauche. L'ondulation réduit la rigidité des matrices CNT jusqu'à 100, 000 fois, mais leur rigidité peut être augmentée en densifiant, ou compressant, les grappes de nanotubes de deux directions différentes. Crédit :Itai Stein/MIT
« De nos précédents travaux sur les nanotubes de carbone alignés et leurs composites, nous avons appris qu'un emballage plus serré des NTC est un moyen très efficace de concevoir leurs propriétés, " dit Wardle. " La partie difficile est de développer un moyen facile de le faire à des échelles qui sont pertinentes pour les avions commerciaux (centaines de mètres), et les capacités prédictives que nous avons développées ici sont un grand pas dans cette direction."
Mesures détaillées
Les nanotubes de carbone sont hautement souhaitables en raison de leur pouvoir thermique, électrique, et propriétés mécaniques, qui dépendent de la direction. Des travaux antérieurs dans le laboratoire de Wardle ont démontré que l'ondulation réduit la rigidité des réseaux CNT d'aussi peu que 100 fois, et jusqu'à 100, 000 fois. Le terme technique pour cette rigidité, ou capacité à plier sans casser, est le module d'élasticité. Les nanotubes de carbone sont de 1, 000 à 10, 000 fois plus longs qu'épais, ils se déforment donc principalement sur leur longueur.
Pour un article antérieur publié dans la revue Lettres de physique appliquée , Stein et ses collègues ont utilisé des techniques de nanoindentation pour mesurer la rigidité des réseaux de nanotubes de carbone alignés et ont trouvé que leur rigidité était de 1/1, 000 au 1/10, 000 fois moins que la rigidité théorique des nanotubes de carbone individuels. Stein, Ward, et l'ancienne étudiante diplômée du MIT Hülya Cebeci a également développé un modèle théorique expliquant les changements à différentes densités d'emballage des nanofibres.
Les nouveaux travaux montrent que les NTC compactés par les forces capillaires en les mouillant d'abord avec de l'acétone ou de l'éthanol, puis en évaporant le liquide, produisent également des NTC qui sont des centaines à des milliers de fois moins rigides que prévu par les valeurs théoriques. Cet effet capillaire, connu sous le nom d'élastocapillarité, est similaire à la façon dont une éponge sèche souvent en une forme plus compacte après avoir été mouillée puis séchée.
Une image au microscope électronique à balayage montre que les nanotubes de carbone alignés traités thermiquement s'auto-assemblent en cellules avec des parois cellulaires clairement définies lorsqu'ils sont densifiés en appliquant et en évaporant quelques gouttes d'acétone ou d'éthanol liquide. Les chercheurs du MIT ont développé une méthode systématique pour prédire la géométrie des motifs cellulaires bidimensionnels que ces nanotubes formeront. Les lignes claires représentent les bords supérieurs des parois cellulaires, tandis que les parties plus sombres représentent des nanotubes plus proches de la base du substrat de silicium, qui est vu dans les espaces plats entre les parois cellulaires. Crédit :Ashley Kaiser/MIT
"Nos résultats indiquent tous que le module de paroi des CNT est bien inférieur à la valeur normalement supposée pour les CNT parfaits, car les CNT sous-jacents ne sont pas droits, " dit Stein. "Nos calculs montrent que la paroi des CNT est au moins deux ordres de grandeur moins rigide que ce à quoi nous nous attendons pour les CNT droits, nous pouvons donc conclure que les CNT doivent être ondulés."
La chaleur ajoute de la force
Les chercheurs ont utilisé une technique de chauffage pour augmenter l'adhérence de leur original, matrices de CNT non densifiées à leur substrat de plaquette de silicium. Les NTC densifiés après traitement thermique étaient environ quatre fois plus difficiles à séparer de la base de silicium que les NTC non traités. Kaiser et Stein, qui partagent la paternité première de l'article, développent actuellement un modèle analytique pour décrire ce phénomène et régler la force d'adhérence, qui permettrait en outre de prévoir et de contrôler de telles structures.
"De nombreuses applications des nanotubes de carbone alignés verticalement [VACNTs], tels que les interconnexions électriques, nécessitent des réseaux de nanotubes beaucoup plus denses que ce qui est généralement obtenu pour les VACNTs tels que cultivés synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur, " dit Mostafa Bedewy, professeur assistant à l'Université de Pittsburgh, qui n'a pas participé à ce travail. "D'où, méthodes de densification post-croissance, telles que celles basées sur l'exploitation de l'élastocapillarité ont déjà montré qu'elles créaient des structures de NTC densifiées intéressantes. Cependant, il existe toujours un besoin pour une meilleure compréhension quantitative des facteurs qui régissent la formation des cellules dans les réseaux densifiés à grande surface de VACNTs. La nouvelle étude des auteurs contribue à répondre à ce besoin en fournissant des résultats expérimentaux, couplé avec des informations de modélisation, corréler des paramètres tels que la hauteur VACNT et l'adhésion du substrat VACNT à la morphologie cellulaire résultante après densification.
"Il reste encore des questions sur la façon dont la variation spatiale de la densité des NTC, tortuosité [torsion], et la distribution du diamètre à travers la hauteur VACNT affecte le processus de densification capillaire, d'autant plus que les gradients verticaux de ces caractéristiques peuvent être différents lors de la comparaison de deux tableaux VACNT ayant des hauteurs différentes, " dit Bedewy. " D'autres travaux incorporant la cartographie spatiale de la morphologie interne des VACNT seraient éclairants, même si cela sera difficile car cela nécessite de combiner une suite de techniques de caractérisation. »
(Détail de l'image précédente.) Les chercheurs du MIT rapportent que la taille des cellules CNT et la rigidité de la paroi augmentent proportionnellement à la hauteur des cellules. Crédit :Ashley Kaiser/MIT
Motifs pittoresques
Kaiser, qui était un boursier d'été du MIT 2016, analysé les matrices de CNT densifiées par microscopie électronique à balayage (MEB) dans les installations expérimentales partagées soutenues par la NSF-MRSEC du laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. Tout en appliquant doucement du liquide sur les réseaux CNT dans cette étude, les a amenés à se densifier en cellules prévisibles, immerger vigoureusement les NTC dans un liquide leur confère des forces beaucoup plus fortes, formant des réseaux CNT de forme aléatoire. « Quand nous avons commencé à explorer les méthodes de densification, J'ai découvert que cette technique puissante densifiait nos matrices CNT en motifs très imprévisibles et intéressants, " dit Kaiser. " Comme on le voit optiquement et via SEM, ces motifs ressemblaient souvent à des animaux, visages, et même un cœur, c'était un peu comme chercher des formes dans les nuages. » Une version colorisée de son image optique montrant un cœur CNT figure sur la couverture de l'édition imprimée du 14 février de Chimie Physique Physique Chimique .
"Je pense qu'il y a une beauté sous-jacente dans ce processus d'auto-assemblage et de densification des nanofibres, outre ses applications pratiques, " ajoute Kaiser. " Les NTC se densifient si facilement et rapidement en motifs après avoir été simplement mouillés par un liquide. Pouvoir quantifier avec précision ce comportement est passionnant, car il peut permettre la conception et la fabrication de nanomatériaux évolutifs."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
