理論上，單壁碳納米管應(yīng)該非常強(qiáng)，但仍然不清楚為什么它們的實(shí)驗(yàn)拉伸強(qiáng)度較低并且在納米管之間變化。名古屋大學(xué)，京都大學(xué)和愛知工業(yè)大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)直接測量了單個(gè)結(jié)構(gòu)定義的單壁碳納米管的拉伸強(qiáng)度，揭示了它們的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度之間關(guān)系的關(guān)鍵見解。

碳納米管由于其優(yōu)異的單位重量理論強(qiáng)度而被預(yù)測為改變游戲規(guī)則的結(jié)構(gòu)材料(圖1a)。他們甚至鼓勵(lì)建造太空電梯，這是不可能使用其他現(xiàn)有材料。

碳納米管具有各種具有各種碳原子排列的結(jié)構(gòu)。根據(jù)同心層的數(shù)量，碳納米管被分類為單壁或多壁納米管(圖1b)。另外，同心層的結(jié)構(gòu)由直徑和手性角(圖1c)或稱為手性指數(shù)的一對整數(shù)(n，m)指定。

由于難以選擇性合成單結(jié)構(gòu)納米管，因此對其機(jī)械性能的系統(tǒng)研究需要對每個(gè)樣品納米管進(jìn)行結(jié)構(gòu)測定。然而，由于它們的納米級尺寸和處理它們的困難，“結(jié)構(gòu)限定的”單壁碳納米管的拉伸試驗(yàn)尚未實(shí)現(xiàn)。先前的研究表明，真正的碳納米管(包括多壁和結(jié)構(gòu)不確定的單壁碳納米管)的拉伸強(qiáng)度通常低于理想情況。此外，測量樣品的強(qiáng)度差異很大。

這種散射在它們在宏觀結(jié)構(gòu)材料(例如由許多碳納米管組成的紗線)中的實(shí)際應(yīng)用中提出了一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)樗鼈兊臄嗔褜淖钊醯募{米管開始。缺乏對結(jié)構(gòu)依賴性的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究長期以來模糊了真實(shí)碳納米管的斷裂機(jī)制，因此阻礙了具有理想強(qiáng)度 - 重量比的宏觀結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展。

一組物理學(xué)家，化學(xué)家和機(jī)械工程師設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)定義的單壁碳納米管(以下稱為納米管)的拉伸試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案。通過環(huán)境醇化學(xué)氣相沉積方法在微米級開口狹縫上合成單個(gè)納米管(圖2a)。采用寬帶瑞利散射光譜法確定納米管結(jié)構(gòu)(圖2b)。然后，用微型叉子拾取各個(gè)結(jié)構(gòu)限定的納米管(圖2c)，并轉(zhuǎn)移到自制的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置上(圖2d)。將每個(gè)單獨(dú)的納米管懸掛并保持在一對樣品臺之間，所述樣品臺分別連接到微負(fù)載單元和致動器，用于直接力測量和單軸拉伸力施加(圖2d)。圖2e示出了在拉伸載荷期間納米管斷裂的時(shí)刻的圖像。根據(jù)胡克定律，根據(jù)配備有微彈簧的測力傳感器級的測量位移直接評估力。

該團(tuán)隊(duì)成功地測量了16種結(jié)構(gòu)定義的納米管物種的拉伸強(qiáng)度。圖3a總結(jié)了測量的極限拉伸納米管強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)依賴性。這些強(qiáng)度似乎取決于納米管的手性角(圖3b)和直徑(圖3c)。

該團(tuán)隊(duì)通過考慮碳 - 碳鍵的方向與拉伸載荷的方向和結(jié)構(gòu)缺陷處的應(yīng)力集中，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)之間的明確關(guān)系。此外，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測真正的納米管的強(qiáng)度。該經(jīng)驗(yàn)式提供了最有利的納米管結(jié)構(gòu)，其應(yīng)朝向最強(qiáng)的材料(內(nèi)容物頂部)選擇性地合成。幸運(yùn)的是，納米管結(jié)構(gòu)的建議類型沒有很好的約束。盡管存在許多嚴(yán)重問題，包括無缺陷納米管的結(jié)構(gòu)選擇性合成，長納米管的生長并且制造保持其強(qiáng)度的繩索，這一發(fā)現(xiàn)提供了開發(fā)超強(qiáng)和超輕質(zhì)材料的基本見解之一，用于建造最安全和最省油的運(yùn)輸設(shè)備或大型建筑結(jié)構(gòu)。