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

Nanomaterijali na bazi ugljika, kao što su ugljične nanocjevčice (CNT), fulereni i grafen, zanimljivi su zbog svojih jedinstvenih fizičkih svojstava. Nova studija istražuje potencijal hibridnih nanostruktura i predstavlja novu poroznu hibridnu strukturu grafena CNT sa značajnim termičkim i mehaničkim svojstvima.

Ova studija pokazuje kako se značajna svojstva novih heterostruktura grafena s ugljičnim nanočesticama (CNT) mogu promijeniti malom promjenom intrinzičnog geometrijskog rasporeda CNT-a i grafena, kao i različitih punila.

Sposobnost precizne kontrole toplotne provodljivosti i mehaničke čvrstoće u hibridnim strukturama grafena i CNT-a čini ga potencijalno pogodnim kandidatom za različite primjene, posebno u naprednoj vazduhoplovnoj proizvodnji gdje su težina i čvrstoća kritični.

Ugljične nanostrukture: ugljične nanocjevčice, grafen, fulereni

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

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

Strukture mjerene u subnanometarskom rasponu funkcioniraju u skladu sa posebnim zakonima kvantne fizike, tako da se mogu koristiti za iskorištavanje neintuitivnih fenomena poput kvantnog tuneliranja, kvantne superpozicije i kvantnog preplitanja.

Ugljične nanocjevčice su cijevi napravljene od ugljika i imaju promjer od samo nekoliko nanometara. Ugljične nanocjevčice pokazuju izuzetnu električnu provodljivost, a neke su poluprovodnički materijali.

Zbog svoje nanostrukture i jačine kovalentnih veza formiranih između atoma ugljika, ugljikove nanocjevčice također imaju visoku zateznu čvrstoću i toplinsku provodljivost.

Ugljične nanocijevi su potencijalno vrijedni materijali za elektroniku, optiku i kompozite, te bi mogle zamijeniti ugljična vlakna u narednih nekoliko godina. Nanotehnologija i nauka o materijalima također koriste ugljične nanocijevi u svojim istraživanjima.

Grafen je izomer ugljika u obliku jednog sloja atoma ugljika raspoređenih u dvodimenzionalnu rešetkastu strukturu koja se sastoji od heksagona. 2004. godine, u nizu pionirskih eksperimenata naučnika Andrewa Geima i Konstantina Novoselova na Univerzitetu u Manchesteru u Velikoj Britaniji, grafen je prvi put izolovan, a 2010. godine su ga osvojili naučnici Andrew Geim i Konstantin Novoselov.

U decenijama koje su uslijedile od tada, grafen je postao koristan nanomaterijal sa izuzetno visokom zateznom čvrstoćom, prozirnošću i električnom provodljivošću za širok i raznolik spektar primjena u elektronici, senzorima i drugim naprednim tehnologijama.

Leren je još jedan izomer ugljika koji je poznat već neko vrijeme. Njegova molekula se sastoji 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 porodice fulerena, iako se smatra članom vlastite klase materijala.

Hibridne nanostrukture

Pored opsežnih istraživanja uloženih u razumijevanje i karakterizaciju ovih ugljičnih nanostruktura pojedinačno, naučnici također istražuju svojstva hibridnih nanostruktura koje kombiniraju dva ili više nanostrukturnih elemenata u jedan materijal.

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

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

Saćaste strukture na bazi ugljika proizvode se hemijskim taloženjem iz pare (CVD) i obradom u rastvoru. Metode sinterovanja iskričastom plazmom (SPS) također su primijenjene za korištenje grafena u biološke i medicinske svrhe.

Naučnici su stoga tražili načine da stabilizuju trodimenzionalne strukture od ugljične pjene. Istraživanja su pokazala da je potrebno formirati stabilne veze između različitih vrsta struktura (ugljične nanocjevčice, fulereni i grafen) kako bi ovaj materijal bio dovoljno stabilan za širok spektar primjena.

Nova istraživanja hibridnih nanostruktura

Novo istraživanje mašinskih inženjera na Tehničkom univerzitetu u Istanbulu u Turskoj predstavlja novi tip hibridne nanostrukture formirane hemijskim vezivanjem.

Porozne CNT strukture grafena nastaju organiziranjem grafena oko CNT-a u nanotrakama. Različiti geometrijski rasporedi slojeva grafenskih nanotraka oko ugljičnih nanocjevčica (kvadratni, heksagonalni i dijamantski 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 kompresijsku stabilnost i čvrstoću bez žrtvovanja zatezne čvrstoće. Geometrijski raspored ugljičnih nanostruktura također je imao značajan utjecaj na njihova termička svojstva.

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