从不可预测的碳纳米管创建可预测的模式

由MIT研究人员获得的重新传输的光学图像显示了一种心形碳纳米管电池。图像的一个版本是在2月14日的物理化学化学物理学印刷版的封面上出现。图像：Ashley Kaiser和Itai Stein / Mit

将纳米级纤维（例如碳纳米管（CNT）置入商业应用中，从飞机翼涂层到移动计算的散热器，要求它们以大规模和低成本生产。化学气相沉积（CVD）是在所需的尺度中制造CNT的有希望的方法，但它产生太稀疏和符合大多数应用的CNT。

施加和蒸发几滴液体，例如丙酮对CNT是一种简单，成本有效的方法，可以将它们更加紧密地包装在一起并增加它们的刚度，但直到现在，没有办法预测这些CNT细胞的几何形状。

MIT研究人员现在已经开发了一种系统方法，以通过蒸发丙酮或乙醇的滴落在一起或致密化之后预测二维模式CNT阵列形式。CNT细胞尺寸和壁刚度与细胞高度成比例地生长，他们在2月14日的物理化学化学物理学问题中报告。

考虑这个CNT行为的一种方法是想象诸如湿头发或意大利面的缠结纤维如何彼此共同加强。这种缠结的区域越大，弯曲的抵抗力越高。类似地，较长的CNT可以在细胞壁中更好地彼此加强。研究人员还发现，在这种情况下，CNT与它们产生的基部的结合强度是硅，对预测这些CNT将形成的细胞图案的重要贡献。

通过化学气相沉积生长的对准的碳纳米管（CNT）通常是波浪的，如在图示的中心的侧视图中所见，而不是直的，如右侧的单个纳米管所示。它们还沉入了某种程序的随机模式，如左上角所示。波纹将CNT阵列的刚度降低到达100,000次，但是通过致密化或压缩纳米管簇可以增加它们的刚度。图像：ITAIT Stein / MIT

“这些调查结果直接适用于行业，因为当您使用CVD时，您可以获得具有曲率，随机性和波浪的纳米管，并且有很大的需求可以轻松减轻这些缺陷而不破坏银行，”Itai说Stein Sm'13，Phd'16，是航空和航天部门的博士。共同作者包括材料科学和工程研究生Ashley Kaiser，机械工程博士柯翠，高级作家Brian Watchle，航空航天教授。

“从我们以前的一部分在对齐的碳纳米管和它们的复合材料上，我们了解到，CNT更加紧密包装，是一种高效的方式来工程到他们的财产，”Waterle说。“具有挑战性的部分是在与商业飞机（数百米）相关的尺度上，开发这种宽容的便利方式，以及我们在这里开发的预测能力是朝着这种方向的迈出了很大的一步。”

详细测量

由于它们的热，电气和机械性能而言，碳纳米管是非常理想的，其具有定向依赖性。Waterle的实验室的早期工作展示了CNT阵列的刚度减少了100倍，高达100,000次。这种刚度的技术术语或弯曲的能力而不会破裂，是弹性模量。碳纳米管比厚度为1,000至10,000倍，因此它们主要沿其长度造成致力。

对于第一个物理字母，Stein及其同事使用纳米狭窄技术来测量对准碳纳米管阵列的刚度，并发现它们的刚度为1 / 1,000至1 / 10,000倍，而不是磷纳米管的理论刚度。Stein，Waterle和前访问麻省理工学院研究生HülyaCebeci还开发了一个理论模型，解释了纳米纤维的不同包装密度的变化。

新的工作表明，由毛细管压制的CNT从丙酮或乙醇蒸发液体，然后蒸发液体也产生数百至数千倍的CNT，这些CNT比理论值的预期更低。这种被称为弹性皮的毛细血管效应类似于湿润后的海绵通常在更紧凑的形状中，然后干燥。

“我们的调查结果表明了CNT壁模量远低于完美CNT的正常假设值，因为下面的CNT不是直的，”Stein说。“我们的计算表明，CNT墙比直接CNT的预期更少两个数量级，所以我们可以得出结论，CNT必须是波浪的。”

扫描电子显微镜图像显示，当通过施加和蒸发几滴液体丙酮或乙醇时，将热处理的对准碳纳米管自组装成具有明确限定的细胞壁的细胞。麻省理工学院研究人员已经开发了一种系统的方法，以预测这些纳米管将形成的二维细胞图案的几何形状。亮线代表细胞壁的顶部边缘，而较暗的部分表示靠近硅基底座的纳米管，这在电池壁之间的平坦空间中看到。图像：Ashley Kaiser / MIT

热量增加了强度

研究人员使用了加热技术来增加其原始的未经管化的CNT阵列与其硅晶片基底的粘附性。热处理后致密化的CNT难以与未处理的CNT分开越难以与硅基底分开。凯瑟和斯坦伊·斯坦（Kaiser和Stein）分享本文的第一作者，目前正在开发一个分析模型来描述这种现象并调整粘附力，这将进一步实现这种结构的预测和控制。

“垂直对准的碳纳米管（例如电互连）的许多应用需要比通过化学气相沉积合成的生长空穴通常获得的纳米管的更密集的纳米管阵列，”匹兹堡大学助理教授，谁没有参与这项工作。“因此，先前已经显示了对基于利用弹性皮划状物的致密化的方法，以产生有趣的致密CNT结构。然而，仍然需要更好地了解对诸如致密的大区域灰度阵列中的细胞形成的因素进行更好的定量理解。作者的新研究有助于通过提供实验结果，加上模拟见解，将诸如VIVNT高度和VACNT基板的粘附性相关的参数与致密化后产生的细胞形态相关，这些研究有助于解决这种需求。

“仍然存在关于如何在VACT高度的CNT密度，曲折[扭曲]和直径分布的空间变化如何影响毛细管致密化过程的问题，特别是因为在比较具有不同的两个VACN阵列时，这些特征的垂直梯度可以不同高度，“宝贝说。“加入内部Vacnt形态的空间映射的进一步工作将是照明的，尽管它将具有挑战性，但它需要结合一套特征技术。”

（上一个图像的细节。）麻省理工学院研究人员报告说，CNT细胞尺寸和壁刚度与细胞高度成比例地生长。图像：Ashley Kaiser / MIT

风景如画的模式

作为2016年夏季学者的Kaiser分析了MIT材料研究实验室的NSF-MRSEC支持的共享实验设施中的扫描电子显微镜（SEM）致密化CNT阵列。在该研究中轻轻地将液体施加到CNT阵列中，导致它们使其致密化为可预测的细胞，剧烈地浸入液体中的CNT赋予它们更强烈的力，形成随机形的CNT网络。“当我们首次开始探索致密化方法时，我发现这种有力的技术将我们的CNT阵列致密于高度不可预测和有趣的模式，”凯撒说。“如光学和通过SEM所见，这些模式经常类似于动物，面孔，甚至是一颗心 - 这有点像在云中寻找形状。”表现出CNT心脏的彩色版本的彩色版本在2月14日封面上出现了封面。

“除了其实际应用外，我认为这种纳米纤维自组装和致密化过程中存在潜在的美感，”凯撒补充道。“在简单地被液体湿润后，CNT将如此容易且迅速地致密化。能够准确地量化这种行为是令人兴奋的，因为它可以实现可伸缩纳米材料的设计和制造。“

这项工作采用了麻省理工学院材料研究实验室共享实验设施，部分由国家科学基金会MRSEC计划和麻省理工学院科技实验室提供支持。这项研究部分由空中客车，Ansys，Probraer，洛克希德Martin，Saab Ab，Saab，Saertex和Toho Tenax提供支持，通过MIT的纳米工程化复合航空航天结构联盟和NASA通过计算设计来通过用于超强复合材料研究所。

出版物：Ashley L. Kaiser等，“过程 - 形态学缩放关系量化毛细血管致密纳米纤维阵列的自组织，2018年PCCP; DOI：10.1039 / C7CP06869G