Nove strukture ogljikovih nanocevk s hibridnimi materiali, ki spreminjajo njihove izjemne lastnosti

Nanomateriali na osnovi ogljika, kot so ogljikove nanocevke (CNT), fulereni in grafen, so zanimivi zaradi svojih edinstvenih fizikalnih lastnosti. Nova študija raziskuje potencial hibridnih nanostruktur in predstavlja novo porozno hibridno strukturo grafenskih CNT s pomembnimi toplotnimi in mehanskimi lastnostmi.

Ta študija prikazuje, kako lahko pomembne lastnosti novih heterostruktur CNT na osnovi grafena spremenimo z rahlim spreminjanjem intrinzične geometrijske razporeditve CNT in grafena ter različnih polnil.

Zmožnost natančnega nadzora toplotne prevodnosti in mehanske trdnosti v hibridnih strukturah grafena CNT ga naredi potencialno primernega kandidata za različne aplikacije, zlasti v napredni letalski in vesoljski proizvodnji, kjer sta teža in trdnost ključnega pomena.

Ogljikove nanostrukture: ogljikove nanocevke, grafen, fulereni

Ogljikove nanostrukture in mešanice več ogljikovih nanostruktur so bile nedavno raziskane kot potencialni kandidati za številne aplikacije na področju zaznavanja, fotovoltaike, antibakterijskih sistemov, shranjevanja energije, gorivnih celic in izboljšanja okolja.

Najpomembnejše preučene nanostrukture na osnovi ogljika so ogljikove nanocevke, grafen in fulereni. Zaradi svoje izjemno majhnosti te strukture kažejo edinstvene toplotne, mehanske, elektronske in biološke lastnosti.

Strukture, izmerjene v subnanometrskem območju, delujejo v skladu s posebnimi zakoni kvantne fizike, zato jih je mogoče uporabiti za izkoriščanje neintuitivnih pojavov, kot so kvantno tuneliranje, kvantna superpozicija in kvantna prepletenost.

Ogljikove nanocevke so cevke iz ogljika in imajo premer le nekaj nanometrov. Ogljikove nanocevke kažejo izjemno električno prevodnost, nekatere pa so polprevodniški materiali.

Zaradi svoje nanostrukture in moči kovalentnih vezi, ki nastanejo med atomi ogljika, imajo ogljikove nanocevke tudi visoko natezno trdnost in toplotno prevodnost.

Ogljikove nanocevke so potencialno dragoceni materiali za elektroniko, optiko in kompozite ter bi lahko v naslednjih nekaj letih nadomestile ogljikova vlakna. Nanotehnologija in znanost o materialih prav tako uporabljata ogljikove nanocevke v svojih raziskavah.

Grafen je ogljikov izomer v obliki ene same plasti ogljikovih atomov, razporejenih v dvodimenzionalni mrežasti strukturi, ki jo sestavljajo šestkotniki. Leta 2004 sta znanstvenika Andrew Geim in Konstantin Novoselov na Univerzi v Manchestru v Združenem kraljestvu prvič izolirala grafen v seriji pionirskih poskusov, za katere sta leta 2010 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

V desetletjih od takrat je grafen postal uporaben nanomaterial z izjemno visoko natezno trdnostjo, prosojnostjo in električno prevodnostjo za širok in raznolik spekter uporabe v elektroniki, senzorjih in drugih naprednih tehnologijah.

Leren je še en ogljikov izomer, ki je znan že nekaj časa. Njegova molekula je sestavljena iz ogljikovih atomov, ki so povezani z enojnimi in dvojnimi vezmi v mrežo, ki je lahko zaprta ali delno zaprta. Mreža je spojena v obroč s petimi, šestimi ali sedmimi atomi.

Molekule fulerena so lahko votle krogle, elipsoidne, cevaste ali mnogih drugih oblik in velikosti. Grafen lahko štejemo za skrajnega člana družine fulerenov, čeprav velja za člana svojega lastnega razreda materialov.

Hibridne nanostrukture

Poleg obsežnih raziskav, vloženih v razumevanje in karakterizacijo teh ogljikovih nanostruktur posamično, znanstveniki raziskujejo tudi lastnosti hibridnih nanostruktur, ki združujejo dva ali več nanostrukturnih elementov v en material.

Na primer,peneimajo prilagodljive lastnosti, zaradi katerih so primerni za praktične aplikacije, kot so načrtovanje sendvič struktur, biokompatibilnih modelov in načrtovanje visoko trdnih, lahkih struktur.

Nanopene na osnovi ogljika se uporabljajo tudi v medicini za preučevanje poškodb kosti in kot osnova za nadomeščanje kostnega tkiva.

Sataste strukture na osnovi ogljika se proizvajajo s kemičnim nanašanjem iz pare (CVD) in obdelavo z raztopino. Za uporabo grafena v bioloških in medicinskih aplikacijah so bile uporabljene tudi metode sintranja z iskrenjem in plazmo (SPS).

Znanstveniki zato iščejo načine, kako stabilizirati tridimenzionalne strukture iz ogljikove pene. Raziskave so pokazale, da je treba med različnimi vrstami struktur (ogljikovimi nanocevkami, fulereni in grafenom) oblikovati stabilne povezave, da bi bil ta material dovolj stabilen za širok spekter uporabe.

Nove raziskave hibridnih nanostruktur

Nova raziskava strojnih inženirjev na Tehnični univerzi v Istanbulu v Turčiji predstavlja novo vrsto hibridne nanostrukture, ki nastane s kemično vezjo.

Porozne grafenske CNT strukture so narejene z organiziranjem grafena okoli CNT-jev v nanotrakovih. Različne geometrijske razporeditve plasti grafenskih nanotrakov okoli ogljikovih nanocevk (kvadratni, šesterokotni in diamantni vzorci) vodijo do različnih fizikalnih lastnosti, ki jih opazimo v materialu, kar kaže na to, da se ta geometrijska preureditev lahko uporabi za fino nastavitev novih struktur.

Raziskovalci so na primer ugotovili, da strukture, vstavljene s fulereni, kažejo znatno tlačno stabilnost in trdnost brez žrtvovanja natezne trdnosti. Geometrijska razporeditev ogljikovih nanostruktur je imela tudi pomemben vpliv na njihove toplotne lastnosti.

Raziskovalci pravijo, da te nove hibridne nanostrukture ponujajo pomembne prednosti, zlasti za letalsko in vesoljsko industrijo. Nanostrukture s temi hibridnimi strukturami bi se lahko uporabljale tudi za shranjevanje vodika in nanoelektroniko.