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Jun 23, 2023

삼

과학 보고서 6권,

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 18930(2016) 이 기사 인용

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적절한 구조를 가진 탄소 나노튜브(CNT) 기반 세포 고체의 효율적인 조립은 거시적 구조에서 개별 나노튜브의 잠재력을 완전히 실현하는 열쇠입니다. 이 연구에서, 무작위로 상호 연결된 개별 탄소 나노튜브로 구성된 거시적 CNT 스폰지는 CVD에 의해 성장되었으며, 초탄성, 높은 강도 대 중량 비율, 피로 저항, 열-기계적 안정성 및 전기-기계적 안정성의 조합을 나타냅니다. 기존의 세포 재료 및 기타 나노 구조의 세포 구조와 비교하여 이러한 뛰어난 기계적 성능을 깊이 이해하기 위해 이 CNT 기반 해면 구조의 압축에 대한 반응에 대한 철저한 연구가 고전적인 탄성 이론을 기반으로 수행되었습니다. 압축 시 구조적 붕괴 없이 굽힘 및 좌굴과 같은 가역적 변형에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지는 인접한 나노튜브 사이의 강력한 튜브 간 결합이 검사됩니다. 현장 주사 전자 현미경 관찰 및 나노튜브 변형 분석을 기반으로 탄소 나노튜브 스폰지의 변형에 대한 구조적 진화(완전 탄성 굽힘-좌굴 전이)가 기계적 특성 및 비선형 전기 기계 결합 동작을 명확하게 하기 위해 제안되었습니다.

다공성 구조, 저밀도, 넓은 특정 면적 및 높은 감쇠 용량을 갖춘 인공 셀룰러 재료는 단열, 쿠션, 부력, 필터링, 촉매 지지체, 흡음 및 조직 지지체 응용 분야를 위해 점점 더 개발되고 있습니다. 가장 친숙한 것은 귀마개부터 항공기 조종석의 크래시 패드까지 모든 것에 사용되는 고분자 폼입니다. 많은 응용 분야에서는 재료가 탄력성, 내하중 용량, 피로 저항성, 열-기계적 안정성을 비롯한 기계적 안정성을 요구하는 반면, 고분자 폼의 안정성 성능은 온도와 크리프 및 응력 완화와 같은 시간에 따른 점탄성 거동에 의해 제한됩니다5 ,6. 지난 수십 년 동안 다양한 요구를 충족하기 위해 다양한 재료가 개발되었지만 초기계적 안정성을 갖춘 다공성 고체를 설계하고 제작하는 것은 여전히 ​​큰 과제로 남아 있습니다. 최근 연구에서는 에너지 흡수, 완충 및 유연한 전자 장치를 위한 나노 규모 빌딩 블록의 거시적 3차원(3D) 아키텍처 개발의 잠재력을 강조했습니다. 게다가, 나노필러 성분의 다기능성은 인공 세포 고체의 범위와 응용 분야의 다양성을 넓힐 것입니다14,15,16,17.

다양한 차원의 광범위한 나노 크기 빌딩 블록 중에서 탄소 나노튜브(CNT)는 특정 섬유 구조, 놀라운 인장 강도, 우수한 열 안정성, 낮은 밀도, 전기 전도성 및 특히 초전도성과 같은 매력적인 특성으로 인해 매우 매력적입니다. -탄력성18,19,20,21. 실제로 CNT 기반 스펀지형 고체는 다기능성, 우수한 압축성 및 초경량성을 입증한 반면, 초기계적 안정성은 이론적 기대와는 거리가 멀다. 정렬된 CNT 배열은 압축 하에서 개별 CNT의 탄성을 활용하여 놀라운 기계적 탄력성을 보인 반면, 정렬된 숲 내의 얽힌 인접한 나노튜브는 압축 주기 동안 응력의 명백한 감소를 유발합니다. 최근에는 에어로겔이나 폼과 같은 CNT 기반의 세포 고형물이 수십 마이크로미터 크기의 벌집 모양의 형태를 보이며 공기처럼 가벼운 초저밀도를 완성하고 있다23,24. 그럼에도 불구하고, 수십 나노미터 두께의 세포벽에서는 개별 탄소 나노튜브의 특별한 기계적 특성이 압축 하에서 효과적으로 활용될 수 없습니다. 비탄성 붕괴가 발생하면 인접한 셀 벽 사이의 약한 상호 연결로 인해 큰 변형 변형 하에서 기계적 안정성과 회복 성능이 저하됩니다. 또한 마이크로미터 규모의 셀 치수로 인해 이러한 3D 아키텍처에서는 강도 대 밀도 비율이 상대적으로 낮습니다. 따라서 적절한 구조를 가진 CNT 기반 세포 고체의 효율적인 조립은 거시적 구조에서 개별 나노튜브의 잠재력을 완전히 실현하고 뛰어난 기계적 특성과 안정성을 달성하는 열쇠입니다. 벌크별 탄성계수 및 기계적 안정성을 극대화하는 데 매우 유용한 것으로 입증된 3D 트러스와 같은 계층적 네트워크는 엔지니어링 건축 및 재료의 구조 설계에 널리 활용되어 왔습니다. 이전 연구에서는 개별 나노튜브가 무작위로 3D 골격으로 상호 연결되는 화학 기상 증착(CVD)을 통해 거시적 탄소 나노튜브 모놀리식 스폰지에서 유사한 트러스형 구조가 달성되었습니다. 이전 연구에서 이러한 CNT 스폰지의 다기능 특성이 입증되었지만 집단적인 기계적 거동을 다루는 포괄적인 연구는 아직 보고되지 않았습니다. 변형에 대한 이 CNT 기반 구조의 기계적 반응에 대한 철저한 이해는 수명에 대한 통찰력을 제공하고 나노 탄소 소재 기반 3D 아키텍처의 구조 설계에 대한 추가 정보를 제공합니다.