Nove strukture ugljikovih nanocjevčica s hibridnim materijalima koji modificiraju njihova izvanredna svojstva

Nanomaterijali na bazi ugljika poput ugljikovih nanocjevčica (CNT), fulerena i grafena zanimljivi su zbog svojih jedinstvenih fizičkih svojstava. Nova studija istražuje potencijal hibridnih nanostruktura i predstavlja novu poroznu hibridnu strukturu grafena CNT sa značajnim toplinskim i mehaničkim svojstvima.

Ova studija pokazuje kako se značajna svojstva novih heterostruktura grafena CNT-a mogu promijeniti laganom promjenom intrinzičnog geometrijskog rasporeda CNT-a i grafena, kao i različitih punila.

Sposobnost precizne kontrole toplinske vodljivosti i mehaničke čvrstoće u hibridnim strukturama grafena i CNT-a čini ga potencijalno prikladnim kandidatom za razne primjene, posebno u naprednoj zrakoplovnoj proizvodnji gdje su težina i čvrstoća ključne.

Ugljikove nanostrukture: ugljikove nanocjevčice, grafen, fulereni

Ugljikove nanostrukture i mješavine više ugljikovih nanostruktura nedavno su istražene kao potencijalni kandidati za brojne primjene u senzorskim, fotonaponskim, antibakterijskim sustavima, skladištenju energije, gorivnim ćelijama i poboljšanju okoliša.

Čini se da su najistaknutije proučavane nanostrukture na bazi ugljika CNT, grafen i fulereni. Zbog svoje izuzetno male veličine, ove strukture pokazuju jedinstvena toplinska, mehanička, elektronička i biološka svojstva.

Strukture izmjerene u subnanometarskom rasponu djeluju prema posebnim zakonima kvantne fizike, pa se mogu koristiti za iskorištavanje neintuitivnih fenomena poput kvantnog tuneliranja, kvantne superpozicije i kvantne prepletenosti.

Ugljikove nanocjevčice su cijevi izrađene od ugljika i promjera su samo nekoliko nanometara. Ugljikove nanocjevčice pokazuju izvanrednu električnu vodljivost, a neke su poluvodički materijali.

Zbog svoje nanostrukture i čvrstoće kovalentnih veza nastalih između atoma ugljika, ugljikove nanocjevčice također imaju visoku vlačnu čvrstoću i toplinsku vodljivost.

Ugljikove nanocjevčice su potencijalno vrijedni materijali za elektroniku, optiku i kompozite te bi mogle zamijeniti ugljična vlakna u sljedećih nekoliko godina. Nanotehnologija i znanost o materijalima također koriste ugljikove nanocjevčice u svojim istraživanjima.

Grafen je ugljikov izomer u obliku jednog sloja atoma ugljika raspoređenih u dvodimenzionalnu rešetkastu strukturu koja se sastoji od šesterokuta. Znanstvenici Andrew Geim i Konstantin Novoselov na Sveučilištu u Manchesteru u Velikoj Britaniji prvi su put izolirali grafen u nizu pionirskih eksperimenata, što im je 2010. godine donijelo Nobelovu nagradu za fiziku.

U desetljećima koja su uslijedila, grafen je postao koristan nanomaterijal s izuzetno visokom vlačnom čvrstoćom, prozirnošću i električnom vodljivošću za širok i raznolik raspon primjena u elektronici, senzorima i drugim naprednim tehnologijama.

Leren je još jedan ugljikov izomer koji je poznat već neko vrijeme. Njegova molekula sastoji se od atoma ugljika koji su povezani jednostrukim i dvostrukim vezama u mrežu koja može biti zatvorena ili djelomično zatvorena. Mreža je spojena u prsten od pet, šest ili sedam atoma.

Molekule fulerena mogu biti šuplje sfere, elipsoidni, tubularni ili mnogih drugih oblika i veličina. Grafen se može smatrati ekstremnim članom obitelji fulerena, iako se smatra članom vlastite klase materijala.

Hibridne nanostrukture

Uz opsežna istraživanja uložena u razumijevanje i karakterizaciju ovih ugljikovih nanostruktura pojedinačno, znanstvenici također istražuju svojstva hibridnih nanostruktura koje kombiniraju dva ili više nanostrukturnih elemenata u jedan materijal.

Na primjer,pjeneimaju prilagodljiva svojstva koja ih čine prikladnima za praktične primjene kao što su projektiranje sendvič struktura, biokompatibilnih dizajna i projektiranje struktura visoke čvrstoće i male težine.

Nanopjene na bazi ugljika također su korištene u medicini za ispitivanje oštećenja kostiju i kao osnova za zamjenu koštanog tkiva.

Saćaste strukture na bazi ugljika proizvode se kemijskim taloženjem iz pare (CVD) i obradom u otopini. Metode sinteriranja iskrenjem plazme (SPS) također su implementirane za korištenje grafena u biološke i medicinske svrhe.

Znanstvenici su stoga tražili načine kako stabilizirati trodimenzionalne strukture ugljične pjene. Istraživanja su pokazala da je potrebno formirati stabilne veze između različitih vrsta struktura (ugljikove nanocjevčice, fulerena i grafena) kako bi ovaj materijal bio dovoljno stabilan za širok raspon primjena.

Nova istraživanja hibridnih nanostruktura

Novo istraživanje strojarskih inženjera na Tehničkom sveučilištu u Istanbulu u Turskoj predstavlja novu vrstu hibridne nanostrukture nastale kemijskim vezanjem.

Porozne CNT strukture grafena izrađuju se organiziranjem grafena oko CNT-a u nanotrakama. Različiti geometrijski rasporedi slojeva grafenskih nanotraka oko ugljikovih nanocjevčica (kvadratni, heksagonalni i dijamantni uzorci) dovode do različitih fizičkih svojstava koja se opažaju u materijalu, što sugerira da se ovo geometrijsko preuređenje može koristiti za fino podešavanje novih struktura.

Istraživači su, na primjer, otkrili da strukture umetnute s fulerenima pokazuju značajnu tlačnu stabilnost i čvrstoću bez žrtvovanja vlačne čvrstoće. Geometrijski raspored ugljikovih nanostruktura također je imao značajan utjecaj na njihova toplinska svojstva.

Istraživači kažu da ove nove hibridne nanostrukture nude važne prednosti, posebno za zrakoplovnu industriju. Nanostrukture s ovim hibridnim strukturama mogle bi se koristiti i za skladištenje vodika i nanoelektroniku.