Nové struktury uhlíkových nanotrubic s hybridními materiály, které modifikují jejich pozoruhodné vlastnosti

Nanomateriály na bázi uhlíku, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNT), fullereny a grafen, jsou zajímavé díky svým jedinečným fyzikálním vlastnostem. Nová studie zkoumá potenciál hybridních nanostruktur a představuje novou porézní hybridní strukturu grafenu CNT s významnými tepelnými a mechanickými vlastnostmi.

Tato studie ukazuje, jak lze významné vlastnosti nových heterostruktur grafenu s uhlíkovými nanočásticemi (CNT) změnit mírnou změnou vnitřního geometrického uspořádání CNT a grafenu, jakož i různých plniv.

Schopnost přesně řídit tepelnou vodivost a mechanickou pevnost v hybridních strukturách grafenu CNT z něj činí potenciálně vhodného kandidáta pro řadu aplikací, zejména v pokročilé letecké výrobě, kde jsou hmotnost a pevnost kritické.

Uhlíkové nanostruktury: uhlíkové nanotrubice, grafen, fullereny

Uhlíkové nanostruktury a směsi více uhlíkových nanostruktur byly v poslední době zkoumány jako potenciální kandidáti pro četné aplikace v oblasti snímání, fotovoltaiky, antibakteriálních technologií, skladování energie, palivových článků a zlepšení životního prostředí.

Nejvýznamnější studované nanostruktury na bázi uhlíku se zdají být uhlíkové nanotrubice (CNT), grafen a fullereny. Díky své extrémně malé velikosti vykazují tyto struktury jedinečné tepelné, mechanické, elektronické a biologické vlastnosti.

Struktury měřené v subnanometrovém rozsahu fungují podle speciálních zákonů kvantové fyziky, takže je lze využít k využití neintuitivních jevů, jako je kvantové tunelování, kvantová superpozice a kvantové provázání.

Uhlíkové nanotrubice jsou trubice vyrobené z uhlíku a mají průměr jen několik nanometrů. Uhlíkové nanotrubice vykazují pozoruhodnou elektrickou vodivost a některé jsou polovodičové materiály.

Díky své nanostruktuře a síle kovalentních vazeb vytvořených mezi atomy uhlíku mají uhlíkové nanotrubice také vysokou pevnost v tahu a tepelnou vodivost.

Uhlíkové nanotrubice jsou potenciálně cennými materiály pro elektroniku, optiku a kompozity a v příštích několika letech by mohly nahradit uhlíková vlákna. Nanotechnologie a materiálová věda také využívají uhlíkové nanotrubice ve svém výzkumu.

Grafen je izomer uhlíku ve formě jediné vrstvy atomů uhlíku uspořádaných v dvourozměrné mřížkové struktuře sestávající z šestiúhelníků. V roce 2004 byl grafen poprvé izolován v sérii průkopnických experimentů vědců Andrewa Geima a Konstantina Novoselova na Univerzitě v Manchesteru ve Velké Británii, které jim v roce 2010 vynesly Nobelovu cenu za fyziku.

V desetiletích, která od té doby uplynula, se grafen stal užitečným nanomateriálem s extrémně vysokou pevností v tahu, průhledností a elektrickou vodivostí pro širokou a rozmanitou škálu aplikací v elektronice, senzorice a dalších pokročilých technologiích.

Lleren je další izomer uhlíku, který je znám již nějakou dobu. Jeho molekula se skládá z atomů uhlíku, které jsou spojeny jednoduchými a dvojnými vazbami v síti, která může být uzavřená nebo částečně uzavřená. Síť je kondenzována do kruhu s pěti, šesti nebo sedmi atomy.

Molekuly fullerenu mohou být duté koule, elipsoidní, trubicovité nebo mnoha jiných tvarů a velikostí. Grafen lze považovat za extrémního člena rodiny fullerenů, ačkoli je považován za člena své vlastní třídy materiálů.

Hybridní nanostruktury

Kromě rozsáhlého výzkumu investovaného do pochopení a charakterizace těchto uhlíkových nanostruktur jednotlivě vědci zkoumají také vlastnosti hybridních nanostruktur, které kombinují dva nebo více nanostrukturních prvků do jednoho materiálu.

Například,pěnymají nastavitelné vlastnosti, díky nimž jsou vhodné pro praktické aplikace, jako je návrh sendvičových struktur, biokompatibilních konstrukcí a návrh vysoce pevných a lehkých konstrukcí.

Nanopěny na bázi uhlíku se také používají v medicíně ke zkoumání poškození kostí a jako základ pro náhradu kostní tkáně.

Voštinové struktury na bázi uhlíku se vyrábějí chemickou depozicí z plynné fáze (CVD) a zpracováním v roztoku. Pro využití grafenu v biologických a lékařských aplikacích byly také zavedeny metody slinování jiskrovou plazmou (SPS).

Vědci proto hledají způsoby, jak stabilizovat trojrozměrné struktury z uhlíkové pěny. Výzkum ukázal, že aby byl tento materiál dostatečně stabilní pro širokou škálu aplikací, je nutné vytvořit stabilní spojení mezi různými typy struktur (uhlíkové nanotrubice, fullereny a grafen).

Nový výzkum hybridních nanostruktur

Nový výzkum strojních inženýrů na Istanbulské technické univerzitě v Turecku představuje nový typ hybridní nanostruktury vytvořené chemickou vazbou.

Porézní grafenové struktury CNT se vyrábějí organizováním grafenu kolem CNT v nanopáscích. Různé geometrické uspořádání vrstev grafenových nanopásků kolem uhlíkových nanotrubic (čtvercové, šestiúhelníkové a kosočtvercové vzory) vede k pozorování různých fyzikálních vlastností materiálu, což naznačuje, že toto geometrické přeskupení lze využít k jemnému doladění nových struktur.

Výzkumníci například zjistili, že struktury s vloženými fullereny vykazovaly významnou tlakovou stabilitu a pevnost bez ztráty pevnosti v tahu. Geometrické uspořádání uhlíkových nanostruktur mělo také významný vliv na jejich tepelné vlastnosti.

Výzkumníci tvrdí, že tyto nové hybridní nanostruktury nabízejí důležité výhody, zejména pro letecký a kosmický průmysl. Nanostruktury s těmito hybridními strukturami by mohly být také použity pro skladování vodíku a nanoelektroniku.