Физика

Скорость высыхания повлияла на форму пучков нанотрубок

Скорость высыхания повлияла на форму пучков нанотрубок

Sameh Tawfick et al. / Physical Review Letters, 2020

После контакта с жидкостями нанотрубки образуют разные необычные формы, причем на результат влияет не только изначальная конфигурация пучка трубок, но и скорость, с которой происходит высыхание. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Углеродные нанотрубки — полые структуры, напоминающие нити, только диаметром около нанометра. Из нанотрубок можно изготавливать наноматериалы, которые широко применяются для создания прочных покрытий, имитации различных тканей человеческого организма и даже адресной доставки лекарств. Интересное свойство нанотрубок состоит в том, что они могут сами образовывать наноматериал — это явление называется самоорганизацией.

Ученые научились реализовывать процесс самоорганизации при участии жидкостей, используя силы поверхностного натяжения и связанные с ними капиллярные явления. С помощью капиллярных эффектов физики уже получили причудливые структуры из нанотрубок: изогнутые, концентрические, закрученные цилиндры, эту технологию назвали «капиллярным формированием». Необычная форма получается за счет растворителя, который сначала конденсируется на нанотрубках, а потом испаряется с их поверхности.

Если в плотных массивах нанотрубок создавать пустоты, а после заполнять их каплями жидкости, то в процессе высыхания самоорганизация приводит к тому, что отверстия исчезают, и вместо них образуются выступающие гребни. При этом исследования, связанные с деформацией нанотрубок под действием жидкостей, не брали в расчет динамику капиллярных эффектов — то есть учитывалась только начальные параметры пучка трубок.

Недавно Самех Тувик (Sameh Tawfick) и его коллеги из Иллинойсского университета показали, что при расчете итоговой формы пучка нанотрубок нужно учитывать еще и скорость, с которой жидкость стекает с пучка после смачивания. Ученые погружали в жидкость пучки из нанотрубок, похожие на кисточки для рисования, только с круглым отверстием в центре. В зависимости от начальной формы пучков и скорости их высыхания наблюдались два вида деформаций.

При медленном стекании воды пучки нанотрубок сохранили свою изначальную конфигурацию и остались цилиндрами с пустотой в середине. Быстрое извлечение из воды привело к другому результату — произошло «закрытие» пучка, нанотрубки сжались в центре, в итоговой структуре уже не было отверстия.

Схематичное изображение процесса медленного извлечения из воды, вид сбоку.

Sameh Tawfick et al. / Physical Review Letters, 2020

Схематичное изображение процесса быстрого извлечения из воды, вид сбоку.

Sameh Tawfick et al. / Physical Review Letters, 2020

Авторы работы объяснили это тем, что столбик жидкости, образующийся в полости при погружении, приводит к возникновению поверхностного натяжения, которое и вызывает закрытие пучка. При медленном высыхании жидкость успевает стечь из центра, поэтому столбик не образуется. Такой эффект проявляется и в более сложных структурах, например, в треугольных пучках и в пучках с несколькими отверстиями. Ученые разработали универсальные законы для прогнозирования кинематики усадки отверстия при медленном высыхании пучков и проверили их с жидкостями разной вязкости.

Мы уже писали о том, как капиллярный эффект в нанотрубках позволил создать солнечный парогенератор. А здесь можно узнать о капиллярном эффекте в сыпучих веществах.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть