Multi-scale modeling of surfactant-stabilized carbon nanotube networks
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde die Selbst-Assemblierung von Tensiden an Kreuzungen aus Kohlenstoffnanoröhren im Hinblick auf die dabei auftretenden attraktiven Kräfte untersucht. Ziel des Projektes war es, ein Multiskalenmodell zu entwickeln mit dem ganze Netzwerke aus Tensid-stabilisierten Kohlenstoffnanoröhren basierend auf den molekularen Wechselwirkungen simuliert werden können und somit Voraussagen über die technischen Eigenschaften dieser Gruppe von neuartigen Materialien zu machen. Auf der molekularen Ebene wurde dabei zunächst eine Simulation erstellt, in der sich die Tensidmoleküle an einer Kreuzung aus Kohlenstoffnanoröhren anlagern und ein Aggregat bilden, das die Kreuzung einschließt. In Abhängigkeit vom Winkel und Abstand zwischen den Kohlenstoffnanoröhren treten dabei starke attraktive Kräfte auf, die von der Verformung des Aggregates herrühren. Diese Kräfte sorgen aber auch für eine Anziehung zwischen den Nanoröhren, so dass die Kreuzung zusammengehalten wird. Dieses Verhalten zeigt damit, dass Netzwerke aus Nanoröhren im Prinzip mit Tensiden stabilisiert werden können. Da die Kraft aber sehr stark vom Winkel und dem Abstand der Nanoröhren abhängt war es bisher unmöglich ein ganzes Netzwerk zu simulieren. Im Verlaufe des Projekts konnte jedoch festgestellt werden, dass sich die Winkelabhängigkeit des Kraftanteils entlang der Verbindungsachse zwischen den Nanoröhren eliminieren lässt. Dazu wurde ein Skalierungsgesetz gefunden, dass zumindest diesen Kraftanteil für jeden beliebigen Winkel vorhersagt. Jedoch existiert auch eine weitere Kraftkomponente die senkrecht zu der ersteren wirkt. Diese sorgt für ein effektives Drehmoment, das die Nanoröhren auf einander zu bewegt. Da Tenside auch zur Trennung von Nanoröhren in Lösung, d.h. zur Produktion einzelner Nanoröhren, verwendet werden, zeigt dieses Ergebnis wie groß der Abstand zwischen den Nanoröhren sein muss. Wird dieser Abstand unterschritten fördern die Tenside das Zusammenbinden der Nanoröhren, also das Gegenteil ihres ursprünglichen Einsatzzwecks. Durch die detaillierte Untersuchung der Verteilung der Kraft auf die Nanoröhren konnte im weiteren Projektverlauf ein Durchbruch erzielt werden, indem eine einheitliche Skalierungsformel für beide Kraftkomponenten gefunden wurde. Diese Formel erlaubt es nun für jede beliebige räumliche Anordnung der Nanoröhren die Kräfte aus einer einzelnen gemessenen Kurve zu berechnen. Damit wurde die Grundlage für die Simulation ganzer Netzwerke geschaffen. Sogar experimentelle Daten können damit in der Zukunft direkt verwendet werden. Eine erste Multiskalensimulation von Nanoröhrennetzwerken wurde bereits in diesem Projekt verwirklicht. Ihre Ergebnisse zeigen, dass auch auf der technisch relevanten Größenskala die Tenside das Netzwerk stabilisieren und das Material sich gegen Verformung „wehrt“. Weitere Untersuchungen werden dieses Verhalten weiter quantifizieren und es ist zu erwarten, dass dies die Umsetzung solcher Materialien deutlich beschleunigt. In einem Nebenprojekt konnte mit der gleichen Simulationsmethode zudem gezeigt werden wie sich die Größe und Form von Tensidaggregaten in zylindrischen Nanoporen in Abhängigkeit von der Stärke der Wechselwirkung mit der Porenwand ändert. Dies hat maßgeblich dazu beigetragen experimentelle Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen in diesem Forschungsbereich zu deuten und könnte einen Einfluss auf technische Anwendungen haben.
Publications
- Angular Dependence of Surfactant- Mediated Forces Between Carbon Nanotubes, Journal of Physical Chemistry B (2012), 116, 14869-14875
D. Müter, P. Angelikopoulos, H. Bock
- Surfactant Self-Assembly in Cylindrical Pore – Insights from Mesoscale Simulations, Journal of Physical Letters (2013), 4, 2153-2157
D. Müter, M. A. Widmann, H. Bock
- Torsional Forces Mediated by Surfactant Aggregates on Carbon Nanotube Junctions, Journal of Physical Chemistry B (2013), 117, 5585-5593
D. Müter, H. Bock
