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Jun 23, 2023

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Scientific Reports volume 6,

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 18930 (2016) Citare questo articolo

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L'assemblaggio efficiente di solidi cellulari basati su nanotubi di carbonio (CNT) con una struttura adeguata è la chiave per realizzare appieno il potenziale dei singoli nanotubi nell'architettura macroscopica. In questo lavoro, la spugna macroscopica CNT costituita da singoli nanotubi di carbonio interconnessi casualmente è stata coltivata mediante CVD, esibendo una combinazione di superelasticità, elevato rapporto resistenza/peso, resistenza alla fatica, stabilità termomeccanica ed elettromeccanica. Per comprendere a fondo prestazioni meccaniche così straordinarie rispetto a quelle dei materiali cellulari convenzionali e di altre architetture cellulari nanostrutturate, viene condotto uno studio approfondito sulla risposta di questa struttura spugnosa basata sui CNT alla compressione sulla base della classica teoria elastica. Viene esaminato il forte legame intertubo tra nanotubi vicini, che si ritiene svolga un ruolo critico nella deformazione reversibile come la flessione e l'instabilità senza collasso strutturale sotto compressione. Sulla base dell'osservazione al microscopio elettronico a scansione in situ e dell'analisi della deformazione dei nanotubi, si propone l'evoluzione strutturale (transizione flessione-instabilità completamente elastica) delle spugne dei nanotubi di carbonio alla deformazione per chiarire le loro proprietà meccaniche e il comportamento di accoppiamento elettromeccanico non lineare.

I materiali cellulari artificiali con struttura porosa, bassa densità, ampia area specifica ed elevata capacità di smorzamento sono stati sempre più sviluppati per applicazioni di isolamento, ammortizzazione, galleggiabilità, filtraggio, supporto catalizzatore, assorbimento acustico e impalcature tissutali1,2,3,4. Le più familiari sono le schiume polimeriche utilizzate in qualsiasi cosa, dai tappi per le orecchie ai crash pad della cabina di pilotaggio degli aerei. Molte applicazioni richiedono che i materiali abbiano stabilità meccanica, tra cui resilienza, capacità di carico, resistenza alla fatica e stabilità termo-meccanica, mentre le prestazioni di stabilità delle schiume polimeriche sono limitate dal loro comportamento viscoelastico dipendente dalla temperatura e dal tempo, come il creep e il rilassamento delle sollecitazioni5 ,6. Anche se negli ultimi decenni è stata sviluppata un’ampia gamma di materiali per soddisfare varie esigenze, progettare e fabbricare solidi cellulari con super stabilità meccanica rimane una grande sfida. Lavori recenti hanno evidenziato il potenziale dello sviluppo di architetture tridimensionali (3D) macroscopiche da elementi costitutivi su scala nanometrica per l'assorbimento di energia, l'ammortizzazione e dispositivi elettronici flessibili7,8,9,10,11,12,13. Oltre a ciò, le multifunzionalità dei componenti dei nanoriempitivi amplierebbero anche la gamma dei solidi cellulari artificiali e la loro diversità di applicazioni14,15,16,17.

Tra l'ampia gamma di elementi costitutivi nanometrici in diverse dimensioni disponibili, i nanotubi di carbonio (CNT) sono estremamente attraenti grazie alle loro proprietà affascinanti come la struttura fibrosa specifica, la meravigliosa resistenza alla trazione, l'eccellente stabilità termica, la bassa densità, la conduttività elettrica e particolarmente super -elasticità18,19,20,21. Infatti, i solidi spugnosi a base di CNT hanno dimostrato multifunzionalità, buona comprimibilità e peso ultraleggero, mentre la stabilità supermeccanica è lontana dalle aspettative teoriche. Gli array di CNT allineati hanno mostrato una notevole resilienza meccanica utilizzando l'elasticità dei singoli CNT sotto compressione, mentre i nanotubi adiacenti aggrovigliati all'interno della foresta allineata causerebbero l'apparente diminuzione dello stress durante i cicli di compressione7,8,22. Recentemente, solidi cellulari basati su CNT come aerogel e schiume hanno mostrato la morfologia a nido d'ape con dimensioni cellulari di decine di micrometri e una densità ultrabassa completa, leggera come l'aria23,24. Tuttavia, in queste pareti cellulari con uno spessore di diverse decine di nanometri, le straordinarie proprietà meccaniche dei singoli nanotubi di carbonio non potevano essere sfruttate efficacemente sotto compressione. Una volta che si verifica il collasso anelastico, la debole interconnessione tra le pareti cellulari adiacenti causerebbe una scarsa stabilità meccanica e prestazioni di recupero in condizioni di deformazione di grandi dimensioni24. Inoltre, il rapporto resistenza/densità è relativamente basso in queste architetture 3D a causa della dimensione delle celle su scala micrometrica. Pertanto, l'assemblaggio efficiente di solidi cellulari basati su CNT con una struttura adeguata è la chiave per realizzare appieno il potenziale dei singoli nanotubi nell'architettura macroscopica e ottenere proprietà meccaniche e stabilità eccellenti. Una rete gerarchica come una trave reticolare 3D, che si è rivelata estremamente vantaggiosa per massimizzare il modulo elastico specifico per la massa e la stabilità meccanica, è stata ampiamente utilizzata nelle costruzioni ingegneristiche e nella progettazione strutturale dei materiali. Nel nostro lavoro precedente, una struttura simile a traliccio è stata ottenuta in spugne monolitiche di nanotubi di carbonio macroscopici mediante deposizione chimica da vapore (CVD), in cui i singoli nanotubi sono interconnessi in modo casuale in scheletri 3D25,26,27,28,29,30,31. Sebbene lavori precedenti abbiano dimostrato le proprietà multifunzionali di tali spugne CNT, non sono stati ancora riportati studi completi che affrontino il loro comportamento meccanico collettivo. Una comprensione approfondita della risposta meccanica di questa struttura basata sui CNT alla deformazione fornirà informazioni sulla loro durata e getterà ulteriore luce sulla progettazione strutturale di architetture 3D basate su materiali nano-carbonio.