Uudet hiilinanoputkirakenteet hybridimateriaaleilla, jotka muuttavat niiden merkittäviä ominaisuuksia

Hiilipohjaiset nanomateriaalit, kuten hiilinanoputket (CNT), fullereenit ja grafeeni, ovat kiinnostavia ainutlaatuisten fysikaalisten ominaisuuksiensa vuoksi. Uusi tutkimus tutkii hybridinanorakenteiden potentiaalia ja esittelee uuden huokoisen grafeeni-CNT-hybridirakenteen, jolla on merkittävät lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet.

Tämä tutkimus osoittaa, kuinka uusien grafeeni-CNT-heterorakenteiden merkittäviä ominaisuuksia voidaan muuttaa muuttamalla hieman CNT:n ja grafeenin sekä erilaisten täyteaineiden luontaista geometrista järjestelyä.

Grafeeni-CNT-hybridirakenteiden lämmönjohtavuuden ja mekaanisen lujuuden tarkka hallinta tekee siitä potentiaalisesti sopivan ehdokkaan moniin sovelluksiin, erityisesti edistyneessä ilmailu- ja avaruusteollisuuden valmistuksessa, jossa paino ja lujuus ovat ratkaisevan tärkeitä.

Hiilin nanorakenteet: hiilinanoputket, grafeeni, fullereenit

Hiilinanorakenteita ja useiden hiilinanorakenteiden seoksia on viime aikoina tutkittu potentiaalisina ehdokkaina lukuisiin sensori-, aurinkosähkö-, antibakteerisiin, energian varastointi-, polttokenno- ja ympäristönsuojelusovelluksiin.

Tunnetuimmat tutkitut hiilipohjaiset nanorakenteet näyttävät olevan CNT:t, grafeeni ja fullereenit. Äärimmäisen pienen kokonsa ansiosta näillä rakenteilla on ainutlaatuisia lämpö-, mekaanisia, sähköisiä ja biologisia ominaisuuksia.

Alle nanometrin alueella mitatut rakenteet toimivat kvanttifysiikan erityisten lakien mukaisesti, joten niitä voidaan käyttää hyödyntämään ei-intuitiivisia ilmiöitä, kuten kvanttitunnelointia, kvanttisuperpositiota ja kvanttilomittumista.

Hiilinanoputket ovat hiilestä valmistettuja putkia, joiden halkaisija on vain muutama nanometri. Hiilinanoputkilla on huomattava sähkönjohtavuus, ja jotkut niistä ovat puolijohdemateriaaleja.

Nanorakenteensa ja hiiliatomien välille muodostuvien kovalenttisten sidosten lujuuden ansiosta hiilinanoputkilla on myös korkea vetolujuus ja lämmönjohtavuus.

Hiilinanoputket ovat potentiaalisesti arvokkaita materiaaleja elektroniikassa, optiikassa ja komposiiteissa, ja ne voisivat korvata hiilikuidut muutaman seuraavan vuoden aikana. Nanoteknologia ja materiaalitiede käyttävät hiilinanoputkia myös tutkimuksessaan.

Grafeeni on hiili-isomeeri, joka koostuu yhdestä hiiliatomien kerroksesta, jotka ovat järjestäytyneet kaksiulotteiseen kuusikulmioista koostuvaan hilarakenteeseen. Vuonna 2004 grafeeni eristettiin ensimmäisen kerran uraauurtavien kokeiden sarjassa, jonka suorittivat tutkijat Andrew Geim ja Konstantin Novoselov Manchesterin yliopistossa Isossa-Britanniassa, mikä toi heille Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2010.

Siitä lähtien grafeenista on vuosikymmeninä tullut hyödyllinen nanomateriaali, jolla on erittäin korkea vetolujuus, läpinäkyvyys ja sähkönjohtavuus, ja sitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa elektroniikassa, sensoritekniikassa ja muissa edistyneissä teknologioissa.

Llereeni on toinen hiiliisomeeri, joka on tunnettu jo jonkin aikaa. Sen molekyyli koostuu hiiliatomeista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa yksinkertaisilla ja kaksoissidoksilla verkossa, joka voi olla suljettu tai osittain suljettu. Verkko on fuusioitunut viiden, kuuden tai seitsemän atomin renkaaksi.

Fullereenimolekyylit voivat olla onttoja palloja, ellipsoidisia, putkimaisia ​​tai monia muita muotoja ja kokoja. Grafeenia voidaan pitää fullereeniperheen äärimmäisenä jäsenenä, vaikka sitä pidetäänkin omana materiaaliluokkanaan.

Hybridi-nanorakenteet

Näiden hiilinanorakenteiden yksilölliseen ymmärtämiseen ja karakterisointiin panostetun laajan tutkimuksen lisäksi tutkijat tutkivat myös hybridi-nanorakenteiden ominaisuuksia, jotka yhdistävät kaksi tai useampia nanorakenteisia elementtejä yhdeksi materiaaliksi.

Esimerkiksivaahdotniillä on säädettävät ominaisuudet, jotka tekevät niistä sopivia käytännön sovelluksiin, kuten sandwich-rakenteiden suunnitteluun, bioyhteensopiviin malleihin ja erittäin lujien, kevyiden rakenteiden suunnitteluun.

Hiilipohjaisia ​​nanovaahtoja on käytetty myös lääketieteessä luuvaurioiden tutkimiseen ja luukudoksen korvaamisen perustana.

Hiilipohjaisia ​​hunajakennorakenteita valmistetaan kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD) ja liuoskäsittelyllä. Myös kipinäplasmasintrausmenetelmiä (SPS) on otettu käyttöön grafeenin hyödyntämiseksi biologisissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa.

Tutkijat ovat siksi etsineet tapoja tehdä kolmiulotteisista hiilivaahtorakenteista vakaita. Tutkimukset ovat osoittaneet, että erityyppisten rakenteiden (hiilinanoputkien, fullereenien ja grafeenin) välille on muodostettava vakaita yhteyksiä, jotta tästä materiaalista tulisi riittävän vakaa monenlaisiin sovelluksiin.

Uutta tutkimusta hybridi-nanorakenteista

Turkin Istanbulin teknillisen yliopiston koneinsinöörien uusi tutkimus esittelee uudenlaisen kemiallisella sidoksella muodostetun hybridin nanorakenteen.

Huokoiset grafeenista valmistetut CNT-rakenteet valmistetaan järjestämällä grafeenia CNT:iden ympärille nanonauhoissa. Grafeenin nanonauhakerrosten erilaiset geometriset järjestykset (neliö-, kuusikulma- ja timanttikuviot) hiilinanoputkien ympärillä johtavat materiaalin erilaisiin fysikaalisiin ominaisuuksiin, mikä viittaa siihen, että tätä geometrista uudelleenjärjestelyä voidaan käyttää uusien rakenteiden hienosäätöön.

Tutkijat havaitsivat esimerkiksi, että fullereeneilla lisätyt rakenteet osoittivat merkittävää puristuskestävyyttä ja lujuutta tinkimättä vetolujuudesta. Hiilinanorakenteiden geometrisella järjestelyllä oli myös merkittävä vaikutus niiden lämpöominaisuuksiin.

Tutkijoiden mukaan nämä uudet hybridinanorakenteet tarjoavat merkittäviä etuja erityisesti ilmailuteollisuudelle. Näitä hybridirakenteita sisältäviä nanorakenteita voitaisiin käyttää myös vedyn varastointiin ja nanoelektroniikkaan.