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从电子产品到智能皮肤,比头发还细1000倍的碳纳米管终于可以大显身手了

作者:中国科学院成都有机化学有限公司 来源:http://www.timesnano.com 日期:2017-05-02 10:40:57


 从九十年代初被发现以来,碳纳米管被誉为纳米技术应用的“神奇材料”。这些微小的圆柱形结构只具有几纳米的直径,比头发还细1000倍,但是单个碳纳米管比钢更坚硬,比铜导电性更强,并且比铝还轻。

然而,很多次试验证明用碳纳米管来构建宏观材料十分困难。这个挑战源于组装和编织碳纳米管的难度,因为它们非常小,而且它们的几何形状很难控制。

受自然界发现的复合材料结构的启发,伊利诺伊大学香槟分校的研究人员克服了这些困难,成功合成纳米管(CNT)纺织品,它具有高导电性和50倍于铜薄膜的韧性。

香槟分校机械工程的助理教授Sameh Tawfick解释说:“ 对齐的碳纳米管片层应用广泛,包括微机电系统(MEMS)、超级电容器电极、电缆、人造肌肉和各种多功能复合材料。”

  

  图 │ 扫描电子显微镜在伊利诺伊大学制造的结构碳纳米管(CNT)纺织品的图像。 彩色原理图显示了自编织碳纳米管的结构,插图显示了由于毛细管接合而导致的不同贴片之间碳纳米管的相互扩散

研究人员称,这是第一个应用断裂力学原理设计研究的纳米结构碳纳米管(CNT)纺织品,断裂力学的理论框架对各种线性和非线性材料十分有效。

图 │ 右上图为碳纳米管纺织物的压强应力曲线。 右下图表显示研究人员通过改变纺织品结构调整机械性能的能力,即强度(最大破坏力)和模量(抗拉伸性)

论文的作者,伊利诺伊大学香槟分校动力材料研究组的研究生Liang Yue说:“碳纳米管(CNT)纺织品的断裂能量的研究使我们设计出了这些性能优良的薄膜。据我们所知,这是首个对CNT纺织品断裂能的研究。竖直生长的碳纳米管是通过化学气相沉积法制成的,从沉积在氧化硅衬底上的催化剂作用下,在5微米x10微米的片层上长出20-60微米高的平行纳米管。

“自然界中骨头、珍珠母、玻璃海绵和竹子中都常见有的交错结构,受这些坚韧天然材料的启发,碳纳米管的催化剂也交错着排列”,Liang补充说, “同时我们也要寻找方法将碳纳米管整合在一起,受到5000年前古代埃及亚麻织物拼接工艺的启发,我们尝试了几种机械方法,包括微轧和简单的机械压缩,来同时重新定向纳米管。那么最后,我们使用自驱动毛细管力将碳纳米管裹在了一起”

“这项工作结合了巧妙的实验和建模,完成了非常精细的合成方法,”Tawfick说。 “柔性电子器件经受反复的弯曲和拉伸,这可能导致各种机械故障。这种新型碳纳米管纺织品可以用于智能纺织品,智能皮肤和各种柔性电子产品中。它们具有极高的韧性,可以代替薄金属薄膜,极大提升器件的可靠性。”

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