碳纳米管的拉伸强度取决于它们的手性结构

理论上，单壁碳纳米管应该非常强，但仍然不清楚为什么它们的实验拉伸强度较低并且在纳米管之间变化。名古屋大学，京都大学和爱知工业大学的一个团队直接测量了单个结构定义的单壁碳纳米管的拉伸强度，揭示了它们的结构和强度之间关系的关键见解。

碳纳米管由于其优异的单位重量理论强度而被预测为改变游戏规则的结构材料(图1a)。他们甚至鼓励建造太空电梯，这是不可能使用其他现有材料。

碳纳米管具有各种具有各种碳原子排列的结构。根据同心层的数量，碳纳米管被分类为单壁或多壁纳米管(图1b)。另外，同心层的结构由直径和手性角(图1c)或称为手性指数的一对整数(n，m)指定。

由于难以选择性合成单结构纳米管，因此对其机械性能的系统研究需要对每个样品纳米管进行结构测定。然而，由于它们的纳米级尺寸和处理它们的困难，“结构限定的”单壁碳纳米管的拉伸试验尚未实现。先前的研究表明，真正的碳纳米管(包括多壁和结构不确定的单壁碳纳米管)的拉伸强度通常低于理想情况。此外，测量样品的强度差异很大。

这种散射在它们在宏观结构材料(例如由许多碳纳米管组成的纱线)中的实际应用中提出了一个关键问题，因为它们的断裂将从最弱的纳米管开始。缺乏对结构依赖性的系统实验研究长期以来模糊了真实碳纳米管的断裂机制，因此阻碍了具有理想强度 - 重量比的宏观结构材料的发展。

一组物理学家，化学家和机械工程师设计了结构定义的单壁碳纳米管(以下称为纳米管)的拉伸试验的实验方案。通过环境醇化学气相沉积方法在微米级开口狭缝上合成单个纳米管(图2a)。采用宽带瑞利散射光谱法确定纳米管结构(图2b)。然后，用微型叉子拾取各个结构限定的纳米管(图2c)，并转移到自制的微机电系统(MEMS)装置上(图2d)。将每个单独的纳米管悬挂并保持在一对样品台之间，所述样品台分别连接到微负载单元和致动器，用于直接力测量和单轴拉伸力施加(图2d)。图2e示出了在拉伸载荷期间纳米管断裂的时刻的图像。根据胡克定律，根据配备有微弹簧的测力传感器级的测量位移直接评估力。

该团队成功地测量了16种结构定义的纳米管物种的拉伸强度。图3a总结了测量的极限拉伸纳米管强度的结构依赖性。这些强度似乎取决于纳米管的手性角(图3b)和直径(图3c)。

该团队通过考虑碳 - 碳键的方向与拉伸载荷的方向和结构缺陷处的应力集中，发现了强度和结构之间的明确关系。此外，该团队开发了一个经验公式来预测真正的纳米管的强度。该经验式提供了最有利的纳米管结构，其应朝向最强的材料(内容物顶部)选择性地合成。幸运的是，纳米管结构的建议类型没有很好的约束。尽管存在许多严重问题，包括无缺陷纳米管的结构选择性合成，长纳米管的生长并且制造保持其强度的绳索，这一发现提供了开发超强和超轻质材料的基本见解之一，用于建造最安全和最省油的运输设备或大型建筑结构。