Carte de contour empirique des résistances à la traction des nanotubes. Chaque paire d'entiers (n, m) sur un hexagone identifie la structure des nanotubes. Les structures de nanotubes sont grossièrement classées en trois groupes (schémas de droite). L'image de gauche montre le moment de la rupture du nanotube lors de l'essai de traction.? Crédit :Université de Nagoya
Les nanotubes de carbone monoparoi devraient théoriquement être extrêmement résistants, mais on ne sait toujours pas pourquoi leurs résistances à la traction expérimentales sont plus faibles et varient selon les nanotubes. Une équipe de l'Université de Nagoya, Université de Kyoto, et l'Institut de technologie d'Aichi a mesuré directement les résistances à la traction de nanotubes de carbone à paroi unique définis par la structure, révélant des informations clés sur la relation entre leur structure et leur force.
Les nanotubes de carbone ont été prédits comme des matériaux structurels révolutionnaires en raison de leur résistance théorique exceptionnelle par poids (Fig. 1a). Ils ont même encouragé la construction d'un ascenseur spatial, ce qui est impossible avec d'autres matériaux existants.
Les nanotubes de carbone ont une variété de structures avec divers alignements d'atomes de carbone. Selon le nombre de couches concentriques, les nanotubes de carbone sont classés en nanotubes monoparois ou multiparois (Fig. 1b). En outre, les structures des couches concentriques sont spécifiées par le diamètre et l'angle chiral (Fig 1c) ou une paire d'entiers (n, m) appelés indices chiraux.
En raison de la difficulté de la synthèse sélective de nanotubes à structure unique, les études systématiques de leurs propriétés mécaniques nécessitent la détermination de la structure de chaque échantillon de nanotube. Cependant, en raison de leur taille nanométrique et de la difficulté de les manipuler, l'essai de traction des nanotubes de carbone monoparoi "structurés" n'a pas encore été réalisé. Les études précédentes ont montré que la résistance à la traction des nanotubes de carbone réels, y compris les nanotubes de carbone monoparoi multiparois et à structure indéfinie, est généralement inférieur au cas idéal. Par ailleurs, la force variait considérablement parmi les échantillons mesurés.
Cette diffusion pose un problème critique quant à leur utilisation pratique dans des matériaux structuraux macroscopiques tels que des fils composés de nombreux nanotubes de carbone, car leur fracture sera initiée à partir des nanotubes les plus faibles. L'absence d'une étude expérimentale systématique sur la dépendance de la structure a longtemps occulté le mécanisme de fracture des nanotubes de carbone réels, et, donc, a entravé le développement d'un matériau structurel macroscopique avec un rapport résistance/poids idéal.
Nanotubes de carbone. a Théorique (rouge) et expérimental (bleu et jaune, représentant les valeurs minimales et maximales obtenues dans cette étude, respectivement) les rapports résistance/poids des nanotubes de carbone monoparoi, par rapport à ceux des matériaux de structure typiques. b, c Classification des nanotubes de carbone. Crédit :Université de Nagoya
Une équipe de physiciens, chimistes, et les ingénieurs mécaniciens ont conçu les schémas expérimentaux pour l'essai de traction de nanotubes de carbone à paroi unique à structure définie (ci-après, appelés nanotubes). Des nanotubes individuels ont été synthétisés sur une fente ouverte à l'échelle micrométrique via des méthodes de dépôt chimique en phase vapeur d'alcool ambiant (Fig. 2a). La spectroscopie de diffusion Rayleigh à large bande a été utilisée pour déterminer les structures des nanotubes (Fig. 2b). Puis, les nanotubes individuels à structure définie ont été prélevés avec une micro-fourche (Fig. 2c), et transféré sur un dispositif de système microélectromécanique (MEMS) fait maison (Fig. 2d). Chaque nanotube individuel a été suspendu et maintenu entre une paire d'étages d'échantillons connectés à une micro-cellule de charge et à un actionneur pour la mesure directe de la force et l'application de la force de traction uniaxiale, respectivement (Fig. 2d). La figure 2e montre une image au moment où le nanotube s'est fracturé pendant le chargement en traction. La force a été directement évaluée à partir du déplacement mesuré de l'étage de cellule de charge équipé de micro-ressorts selon la loi de Hooke.
L'équipe a réussi à mesurer les résistances à la traction de 16 espèces de nanotubes à structure définie. La figure 3a résume la dépendance de la structure des résistances à la traction ultimes mesurées des nanotubes. Les forces dépendent apparemment à la fois de l'angle chiral (Fig. 3b) et du diamètre (Fig. 3c) des nanotubes.
Procédures expérimentales pour la mesure de la résistance à la traction. a Nanotube individuel directement synthétisé sur une fente ouverte. b Spectres de diffusion Rayleigh à large bande de trois espèces de nanotubes utilisés pour l'attribution de la structure chirale. c Opération de prélèvement d'un nanotube individuel à l'aide d'une micro fourche. d Pose d'un nanotube sur le dispositif du système microélectromécanique (MEMS). e Image prise au moment de la rupture du nanotube lors de l'essai de traction. La flèche noire indique la direction du mouvement de l'étage de l'actionneur. Figure 3. Dépendance de la structure de la résistance à la traction ultime. a Les résistances à la traction des (n, m) les nanotubes sont indiqués par les diamètres des cercles. b, c Les résistances à la traction sont tracées en fonction de l'angle chiral (b) et du diamètre (c). Figure 4. Relation claire entre la résistance à la traction ultime et la structure. et d sont l'angle et le diamètre chiraux, respectivement. f(θ) est un facteur tenant compte de la contrainte effective sur les liaisons carbone-carbone. La dépendance en racine carrée de d prend en compte la concentration de contraintes au niveau des défauts structurels. Crédit :Université de Nagoya
L'équipe a trouvé la relation claire entre les résistances et les structures en considérant les directions des liaisons carbone-carbone par rapport à la direction de la charge de traction et de la concentration de contrainte au niveau des défauts structurels. Par ailleurs, l'équipe a développé une formule empirique pour prédire les forces réelles des nanotubes. Cette formule empirique fournit les structures de nanotubes les plus favorables qui devraient être sélectivement synthétisées vers le matériau le plus résistant (haut du contenu). Heureusement, les types suggérés de structures de nanotubes ne sont pas bien contraints. Bien qu'il reste un certain nombre de problèmes graves, y compris la synthèse sélective de structure de nanotubes sans défaut, la croissance de longs nanotubes, et faire des cordes qui gardent leur force, cette découverte fournit l'une des informations fondamentales pour le développement de matériaux ultrarésistants et ultralégers à utiliser dans la construction des équipements de transport les plus sûrs et les plus économes en carburant ou des structures architecturales massives.
