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趣说空泡(10):利用空化效应的碳纳米管切割技术

已有 4708 次阅读 2012-10-31 21:10 |个人分类:趣说空泡|系统分类:科普集锦|关键词:碳纳米管,气泡,声处理| 碳纳米管, 气泡, 声处理


利用空化效应的碳纳米管切割技术

 

张宇宁

英国华威大学

 

碳纳米管自1991年被发现以来,由于其独特的性质(超常的强度,良好的柔韧性,高熔点等等)引起了学术界的广泛关注。例如,20121029日,IBM的科学家宣称采用主流半导体工艺第一次将一万多个碳纳米管制作的晶体管精确地放置在了一颗芯片内,并通过了可行性测试,迈出了纳米材料取代硅的第一步。工业生产出来的碳纳米管的微观特性(如长度,直径等)参差不齐,需要进一步的分离和纯化。近年来,声处理用于对碳纳米管进行切割。在此过程中,空化效应扮演着重要的角色。本文主要介绍跟空化效应有关的碳纳米管(见图一,主要是单壁碳纳米管)的声处理技术。



图一 单壁碳纳米管

 

在声场的作用下(一般20kHz的低频超声),溶液中气泡(大概几十微米)附近的压力场发生剧烈变化,从而引起气泡的震荡。由于微米尺度的气泡通常是球形的,气泡的震荡模式主要是径向的(即沿着气泡中心到气泡边缘的方向),在气泡附近形成一个来回震荡的速度场,从而使气泡附近的碳纳米管被切割。从实际应用的角度讲,碳纳米管的长度(L)与声场作用时间(t)的关系是一个非常重要的信息。实验发现,Lt存在下列的关系

 

其中,m为指数。但是,不同的实验(实验结果见图二)给出的m值却有显著差异,有的为0.22,有的为0.5


图二 碳纳米管长度随着声处理时间的变化。Copy right: J. Phys. Chem. B


其中的原因直到2012717日出版的《美国科学院院刊(PNAS)》中的一篇文章才被很好地解释。该文作者通过数值模拟发现不同长度的碳纳米管在气泡产生的流场下的动力学行为有显著区别(见图三):

 

短碳纳米管:在气泡流场的作用下会发生旋转,长度的方向与气泡的径向一致。由于在碳纳米管的两端的速度场不同(离气泡较近的一端速度比离气泡较远的一端大),碳纳米管在该流场的作用下不断的伸缩,从而导致最终被切断。

 

长碳纳米管:在气泡流场的作用下,其长度方向与气泡的切线方向一致。由于流场的作用,碳纳米管被压曲,从而导致断裂。


 

图三 长和短碳纳米管在气泡流场下的不同动力学行为。Copy right: PNAS


这两种不同的模式解释了为什么不同实验中的系数会有很大的差别。

延伸阅读


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