Berapakah 100 kali lebih kuat dari baja, beratnya seperenam dan dapat dijentikkan seperti ranting oleh gelembung udara kecil? Jawabannya adalah nanotube karbon - dan sebuah penelitian baru oleh para ilmuwan Rice University merinci dengan tepat bagaimana banyak bahan nano yang dipelajari saat terkena getaran ultrasonik dalam cairan.
"Kami menemukan bahwa pepatah lama 'Saya akan menghancurkan tetapi tidak membengkokkan' tidak berlaku di skala mikro dan nano," kata peneliti teknik Padi Matteo Pasquali, ilmuwan utama pada penelitian ini, yang muncul bulan ini dalam Prosiding Nasional. Akademi Ilmu Pengetahuan.
Mekanisme dimana karbon nanotube pecah atau bengkok di bawah pengaruh gelembung selama sonication adalah topik dari makalah baru yang dipimpin oleh para peneliti di Rice University. Tim menemukan bahwa nanotube pendek ditarik ujung-pertama ke gelembung yang runtuh, meregangkannya, sementara yang lebih panjang lebih rentan terhadap kerusakan. Kredit Gambar: Lab Pasquali / Universitas Padi
Karbon nanotube - tabung hampa karbon murni sekitar selebar DNA - adalah salah satu bahan yang paling banyak dipelajari dalam nanoteknologi. Selama lebih dari satu dekade, para ilmuwan telah menggunakan getaran ultrasonik untuk memisahkan dan menyiapkan tabung nano di laboratorium. Dalam studi baru, Pasquali dan rekannya menunjukkan bagaimana proses ini bekerja - dan mengapa ini merugikan nanotube yang lama. Itu penting bagi para peneliti yang ingin membuat dan mempelajari nanotube panjang.
"Kami menemukan bahwa nanotube yang panjang dan pendek berperilaku sangat berbeda ketika disonikasi," kata Pasquali, profesor teknik kimia dan biomolekul dan kimia di Rice. “Nanotube yang lebih pendek akan diregangkan sementara nanotube yang lebih panjang menekuk. Kedua mekanisme ini dapat menyebabkan kerusakan. ”
Ditemukan lebih dari 20 tahun yang lalu, nanotube karbon adalah salah satu bahan keajaiban nanoteknologi. Mereka adalah sepupu dekat buckyball, partikel yang penemuannya pada tahun 1985 di Rice membantu memulai revolusi nanoteknologi.
Nanotube dapat digunakan dalam baterai dan sensor yang dapat dicat, untuk mendiagnosis dan mengobati penyakit, dan untuk kabel daya generasi selanjutnya dalam jaringan listrik. Banyak sifat optik dan material nanotube ditemukan di Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, dan metode produksi berskala besar pertama untuk membuat nanotube berdinding tunggal ditemukan di Rice oleh senama institut tersebut, almarhum Richard Smalley.
"Memproses nanotube dalam cairan adalah penting secara industri tetapi cukup sulit karena mereka cenderung menggumpal bersama," kata rekan penulis Micah Green. "Rumpun nanotube ini tidak akan larut dalam pelarut umum, tetapi sonikasi dapat memecah rumpun ini untuk memisahkan, yaitu, membubarkan, nanotube."
Nanotube yang baru tumbuh bisa seribu kali lebih lama dari lebar, dan meskipun sonikasi sangat efektif untuk memecah gumpalan, itu juga membuat nanotube lebih pendek. Bahkan, para peneliti telah mengembangkan sebuah persamaan yang disebut "hukum kekuasaan" yang menggambarkan seberapa dramatis pemendekan ini. Para ilmuwan memasukkan kekuatan sonikasi dan jumlah waktu sampel akan disonikasi, dan hukum kekuatan memberi tahu mereka panjang rata-rata nanotube yang akan diproduksi. Nanotube menjadi lebih pendek dengan meningkatnya daya dan waktu pemaparan.
"Masalahnya adalah bahwa ada dua undang-undang kekuasaan yang berbeda yang cocok dengan temuan eksperimen terpisah, dan salah satunya menghasilkan panjang yang jauh lebih pendek dari yang lain," kata Pasquali. “Bukannya yang satu benar dan yang lain salah. Masing-masing telah diverifikasi secara eksperimental, jadi ini masalah memahami alasannya. Philippe Poulin pertama kali mengungkapkan perbedaan ini dalam literatur dan membawa masalah ini menjadi perhatian saya ketika saya mengunjungi labnya tiga tahun lalu. ”
Untuk menyelidiki perbedaan ini, Pasquali dan rekan penulis studi Guido Pagani, Micah Green dan Poulin berangkat untuk secara akurat memodelkan interaksi antara nanotube dan gelembung sonikasi. Model komputer mereka, yang berjalan pada superkomputer Rice's Cray XD1, menggunakan kombinasi teknik dinamika fluida untuk mensimulasikan interaksi secara akurat. Ketika tim menjalankan simulasi, mereka menemukan bahwa tabung yang lebih panjang berperilaku sangat berbeda dari rekan-rekan mereka yang lebih pendek.
"Jika nanotube pendek, salah satu ujungnya akan ditarik oleh gelembung yang runtuh sehingga nanotube sejajar dengan pusat gelembung," kata Pasquali. "Dalam hal ini, tabung tidak menekuk, melainkan membentang. Perilaku ini telah diprediksi sebelumnya, tetapi kami juga menemukan bahwa nanotube panjang melakukan sesuatu yang tidak terduga. Model tersebut menunjukkan bagaimana gelembung yang runtuh menarik nanotube lebih panjang ke dalam dari tengah, menekuknya dan mematahkannya seperti ranting. "
Pasquali mengatakan model menunjukkan bagaimana kedua hukum kekuatan masing-masing dapat benar: Satu menggambarkan proses yang mempengaruhi nanotube lebih lama dan yang lain menjelaskan proses yang mempengaruhi yang lebih pendek.
“Butuh fleksibilitas untuk memahami apa yang terjadi,” kata Pasquali. "Tetapi hasilnya adalah bahwa kita memiliki deskripsi yang sangat akurat tentang apa yang terjadi ketika nanotube disonikasi."
Rekan penulis studi termasuk Pagani, sebelumnya seorang sarjana tamu di Rice, yang mempelajari proses sonikasi sebagai bagian dari penelitian tesis masternya; Green, mantan Peneliti Pascadoktoral Evans Attwell-Welch di Rice yang sekarang menjadi anggota fakultas di Texas Tech University; dan Poulin, direktur penelitian di Centre National de la Recherche Scientifique dan anggota fakultas di University of Bordeaux di Pessac, Prancis.
Penelitian ini didukung oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, Laboratorium Penelitian Angkatan Udara, Program Beasiswa Evans Attwell-Welch dari Welch Foundation, Yayasan Sains Nasional, Cray, AMD, Institut Teknologi Informasi Ken Kennedy Rice untuk Teknologi Informasi dan Universitas Teknologi Texas Pusat Komputasi Kinerja Tinggi.
Diterbitkan ulang dengan izin dari Rice University.