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Jun 23, 2023

Três

Relatórios Científicos volume 6,

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 18930 (2016) Citar este artigo

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A montagem eficiente de sólidos celulares baseados em nanotubos de carbono (CNT) com estrutura apropriada é a chave para realizar plenamente o potencial de nanotubos individuais na arquitetura macroscópica. Neste trabalho, a esponja CNT macroscópica consistindo de nanotubos de carbono individuais interconectados aleatoriamente foi cultivada por CVD, exibindo uma combinação de superelasticidade, alta relação resistência/peso, resistência à fadiga, estabilidade termomecânica e estabilidade eletromecânica. Para entender profundamente esse desempenho mecânico extraordinário em comparação com os materiais celulares convencionais e outras arquiteturas celulares nanoestruturadas, um estudo aprofundado sobre a resposta dessa estrutura esponjosa à compressão baseada em CNT é conduzido com base na teoria elástica clássica. A forte ligação entre tubos entre nanotubos vizinhos é examinada, acredita-se que desempenha um papel crítico na deformação reversível, como flexão e flambagem sem colapso estrutural sob compressão. Com base na observação de microscopia eletrônica de varredura in-situ e análise de deformação de nanotubos, a evolução estrutural (transição dobra-flambagem completamente elástica) das esponjas de nanotubos de carbono à deformação é proposta para esclarecer suas propriedades mecânicas e comportamento de acoplamento eletromecânico não linear.

Materiais celulares artificiais com estrutura porosa, baixa densidade, grande área específica e alta capacidade de amortecimento, têm sido cada vez mais desenvolvidos para aplicações de isolamento, amortecimento, flutuabilidade, filtragem, suporte de catalisador, absorção de som e estrutura de tecido1,2,3,4. As mais conhecidas são as espumas poliméricas usadas em tudo, desde tampões para os ouvidos até almofadas de colisão do cockpit de aeronaves. Muitas das aplicações exigem que os materiais tenham estabilidade mecânica, incluindo resiliência, capacidade de carga, resistência à fadiga e estabilidade termomecânica, enquanto o desempenho de estabilidade das espumas poliméricas é limitado por sua temperatura e comportamento viscoelástico dependente do tempo, como fluência e relaxamento de tensão5 ,6. Embora uma ampla gama de materiais tenha sido desenvolvida para atender a várias demandas nas últimas décadas, continua sendo um grande desafio projetar e fabricar os sólidos celulares com superestabilidade mecânica. Trabalhos recentes destacaram o potencial no desenvolvimento de arquiteturas tridimensionais (3D) macroscópicas a partir de blocos de construção em nanoescala para absorção de energia, amortecimento e dispositivos eletrônicos flexíveis7,8,9,10,11,12,13. Além disso, as multifuncionalidades dos constituintes das nanocargas também ampliariam a gama de sólidos celulares produzidos pelo homem e sua diversidade de aplicações14,15,16,17.

Entre uma ampla gama de blocos de construção de tamanho nano em diferentes dimensionalidades disponíveis, os nanotubos de carbono (CNTs) são extremamente atraentes devido às suas propriedades fascinantes, como estrutura fibrosa específica, maravilhosa resistência à tração, excelente estabilidade térmica, baixa densidade, condutividade elétrica e particularmente super -elasticidade18,19,20,21. De fato, sólidos semelhantes a esponjas baseados em CNT demonstraram multifuncionalidade, boa compressibilidade e peso ultraleve, enquanto a estabilidade super mecânica está longe da expectativa teórica. As matrizes de CNT alinhadas mostraram notável resiliência mecânica, utilizando a elasticidade de CNTs individuais sob compressão, enquanto os nanotubos adjacentes emaranhados dentro da floresta alinhada causariam a aparente diminuição do estresse durante os ciclos de compressão7,8,22. Recentemente, sólidos celulares baseados em CNT, como aerogéis e espumas, mostraram a morfologia semelhante a um favo de mel com dimensão celular de dezenas de micrômetros e densidade ultrabaixa completa, tão leve quanto o ar23,24. No entanto, nestas paredes celulares com várias dezenas de nanômetros de espessura, as extraordinárias propriedades mecânicas do nanotubo de carbono individual não puderam ser aproveitadas de forma eficaz sob compressão. Uma vez ocorrido o colapso inelástico, a fraca interconexão entre as paredes celulares adjacentes causaria estabilidade mecânica e desempenho de recuperação pobres sob deformação de grande deformação24. Além disso, a relação resistência/densidade é relativamente baixa nessas arquiteturas 3D devido à dimensão da célula em escala micrométrica. Assim, a montagem eficiente de sólidos celulares baseados em CNT com estrutura apropriada é a chave para realizar plenamente o potencial de nanotubos individuais na arquitetura macroscópica e alcançar excelentes propriedades mecânicas e estabilidade. Uma rede hierárquica como uma treliça 3D, comprovadamente altamente benéfica para maximizar o módulo elástico específico do volume e a estabilidade mecânica, tem sido amplamente utilizada em construções de engenharia e design estrutural de materiais. Em nosso trabalho anterior, uma estrutura semelhante a uma treliça foi obtida em esponjas monolíticas de nanotubos de carbono macroscópicos por deposição de vapor químico (CVD), na qual nanotubos individuais são interconectados aleatoriamente em esqueletos 3D25,26,27,28,29,30,31. Embora trabalhos anteriores tenham demonstrado as propriedades multifuncionais de tais esponjas CNT, nenhum estudo abrangente abordando seu comportamento mecânico coletivo foi relatado ainda. Uma compreensão completa da resposta mecânica desta estrutura baseada em CNT à deformação fornecerá informações sobre sua vida útil e lançará mais luz sobre o design estrutural de arquiteturas 3D baseadas em material de nanocarbono.