Új szén nanocső szerkezetek hibrid anyagokkal, amelyek módosítják figyelemre méltó tulajdonságaikat

A szén alapú nanorészecskék, mint például a szén nanocsövek (CNT-k), a fullerének és a grafén, egyedi fizikai tulajdonságaik miatt érdekesek. Egy új tanulmány a hibrid nanostruktúrákban rejlő lehetőségeket vizsgálja, és egy új, jelentős termikus és mechanikai tulajdonságokkal rendelkező porózus grafén CNT hibrid szerkezetet mutat be.

Ez a tanulmány bemutatja, hogyan módosíthatók az új grafén CNT heterostruktúrák jelentős tulajdonságai a CNT és a grafén belső geometriai elrendezésének, valamint a különböző töltőanyagoknak az enyhe megváltoztatásával.

A grafén CNT hibrid szerkezetek hővezető képességének és mechanikai szilárdságának pontos szabályozásának képessége potenciálisan alkalmas jelöltté teszi számos alkalmazáshoz, különösen a fejlett repülőgépiparban, ahol a súly és a szilárdság kritikus fontosságú.

Szén nanostruktúrák: szén nanocsövek, grafén, fullerének

A szén nanostruktúrákat és a többszörös szén nanostruktúrák keverékeit a közelmúltban vizsgálták számos érzékelési, fotovoltaikus, antibakteriális, energiatárolási, üzemanyagcellás és környezetjavító alkalmazás potenciális jelöltjeiként.

A legkiemelkedőbb vizsgált szén alapú nanoszerkezetek a szén nanocsövek, a grafén és a fullerének. Rendkívül kis méretük miatt ezek a szerkezetek egyedi termikus, mechanikai, elektronikus és biológiai tulajdonságokkal rendelkeznek.

A szubnanometrikus tartományban mért struktúrák a kvantumfizika speciális törvényei szerint működnek, így felhasználhatók olyan nem intuitív jelenségek kiaknázására, mint a kvantumalagút-effektus, a kvantum-szuperpozíció és a kvantum-összefonódás.

A szén nanocsövek szénből készült csövek, amelyek átmérője mindössze néhány nanométer. A szén nanocsövek figyelemre méltó elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, és némelyik félvezető anyag.

Nanoszerkezetüknek és a szénatomok között kialakuló kovalens kötések erősségének köszönhetően a szén nanocsövek nagy szakítószilárdsággal és hővezető képességgel is rendelkeznek.

A szén nanocsövek potenciálisan értékes anyagok az elektronika, az optika és a kompozitok számára, és a következő néhány évben felválthatják a szénszálakat. A nanotechnológia és az anyagtudomány szintén szén nanocsöveket használ a kutatásaiban.

A grafén egy szénizomer, amely egyetlen szénatomrétegből áll, amelyek egy kétdimenziós, hatszögekből álló rácsszerkezetben helyezkednek el. 2004-ben sikerült először izolálni a grafént Andrew Geim és Konstantin Novoselov tudósok úttörő kísérletsorozatának keretében a Manchesteri Egyetemen, amiért 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak.

Az azóta eltelt évtizedekben a grafén hasznos nanoanyaggá vált, rendkívül nagy szakítószilárdsággal, átlátszósággal és elektromos vezetőképességgel, széles és változatos alkalmazási területen az elektronikában, az érzékelésben és más fejlett technológiákban.

A lerén egy másik szénizomer, amely már egy ideje ismert. Molekulája szénatomokból áll, amelyeket egyes és kettős kötések kötnek össze egy zárt vagy részben zárt hálóban. A háló egy öt, hat vagy hét atomból álló gyűrűhöz van összeolvasztva.

A fullerén molekulák lehetnek üreges gömbök, ellipszoidok, csőszerűek vagy sok más alakúak és méretűek. A grafén a fullerén család szélsőséges tagjának tekinthető, bár saját anyagosztályának számít.

Hibrid nanostruktúrák

Amellett, hogy kiterjedt kutatásokat végeznek ezen szén nanostruktúrák egyedi megértésében és jellemzésében, a tudósok a hibrid nanostruktúrák tulajdonságait is vizsgálják, amelyek két vagy több nanoszerkezetű elemet egyetlen anyaggá egyesítenek.

Például,habokolyan állítható tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek alkalmassá teszik őket gyakorlati alkalmazásokhoz, például szendvicsszerkezetek tervezéséhez, biokompatibilis kialakításokhoz és nagy szilárdságú, kis súlyú szerkezetek tervezéséhez.

A szén alapú nanohabokat az orvostudományban is használták csontkárosodás vizsgálatára és csontszövet pótlásának alapjául.

A szén alapú méhsejtszerkezeteket kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) és oldatkezeléssel állítják elő. Szikra-plazma szinterezési (SPS) módszereket is alkalmaztak a grafén biológiai és orvosi alkalmazásokhoz való felhasználására.

A tudósok ezért keresik a módját annak, hogy a háromdimenziós szénhab szerkezeteket stabillá tegyék. A kutatások kimutatták, hogy stabil kapcsolatokat kell kialakítani a különböző típusú szerkezetek (szén nanocsövek, fullerének és grafén) között ahhoz, hogy ez az anyag kellően stabil legyen a széles körű alkalmazásokhoz.

Új kutatások a hibrid nanostruktúrákról

A törökországi Isztambuli Műszaki Egyetem gépészmérnökeinek új kutatása egy új típusú hibrid nanoszerkezetet mutat be, amely kémiai kötéssel jön létre.

A porózus grafén szén nanocsövek (CNT) körüli grafénszerkezeteket úgy hozzák létre, hogy a grafént nanoszalagokban, szén nanocsövek körül szervezik. A grafén nanoszalag rétegek eltérő geometriai elrendezése (négyzet, hatszög és rombusz minták) az anyagban megfigyelhető eltérő fizikai tulajdonságokhoz vezet, ami arra utal, hogy ez a geometriai átrendeződés felhasználható az új struktúrák finomhangolására.

A kutatók például azt találták, hogy a fullerénekkel beillesztett szerkezetek jelentős nyomószilárdságot és szilárdságot mutattak a szakítószilárdság feláldozása nélkül. A szén nanoszerkezetek geometriai elrendezése szintén jelentős hatással volt termikus tulajdonságaikra.

A kutatók szerint ezek az új hibrid nanostruktúrák jelentős előnyöket kínálnak, különösen a repülőgépipar számára. Az ilyen hibrid szerkezetű nanostruktúrák hidrogéntárolásra és nanoelektronikára is felhasználhatók.