Naujos anglies nanovamzdelių struktūros su hibridinėmis medžiagomis, kurios keičia jų nepaprastas savybes

Anglies pagrindu pagamintos nanomedžiagos, tokios kaip anglies nanovamzdeliai (CNT), fulerenai ir grafenas, yra įdomios dėl savo unikalių fizikinių savybių. Naujame tyrime nagrinėjamas hibridinių nanostruktūrų potencialas ir pristatoma nauja porėtos grafeno CNT hibridinė struktūra, pasižyminti reikšmingomis terminėmis ir mechaninėmis savybėmis.

Šis tyrimas parodo, kaip galima pakeisti reikšmingas naujų grafeno CNT heterostruktūrų savybes šiek tiek pakeitus vidinį CNT ir grafeno geometrinį išdėstymą, taip pat įvairius užpildus.

Gebėjimas tiksliai kontroliuoti grafeno CNT hibridinių struktūrų šilumos laidumą ir mechaninį stiprumą daro jį potencialiai tinkamu kandidatu įvairioms reikmėms, ypač pažangioje aviacijos ir kosmoso gamyboje, kur svoris ir stiprumas yra labai svarbūs.

Anglies nanostruktūros: anglies nanovamzdeliai, grafenas, fulerenai

Anglies nanostruktūros ir kelių anglies nanostruktūrų mišiniai neseniai buvo tiriami kaip potencialūs kandidatai daugeliui jutimo, fotovoltinių, antibakterinių, energijos kaupimo, kuro elementų ir aplinkos gerinimo taikymų.

Ryškiausios tirtos anglies pagrindo nanostruktūros, atrodo, yra CNT, grafenas ir fulerenai. Dėl itin mažo dydžio šios struktūros pasižymi unikaliomis terminėmis, mechaninėmis, elektroninėmis ir biologinėmis savybėmis.

Subnanometrų diapazone išmatuotos struktūros veikia pagal specialius kvantinės fizikos dėsnius, todėl jas galima panaudoti neintuityviems reiškiniams, tokiems kaip kvantinis tuneliavimas, kvantinė superpozicija ir kvantinis susietumas, išnaudoti.

Anglies nanovamzdeliai yra iš anglies pagaminti vamzdeliai, kurių skersmuo yra vos keli nanometrai. Anglies nanovamzdeliai pasižymi puikiu elektriniu laidumu, o kai kurie iš jų yra puslaidininkinės medžiagos.

Dėl savo nanostruktūros ir tarp anglies atomų susidarančių kovalentinių jungčių stiprumo anglies nanovamzdeliai taip pat pasižymi dideliu tempiamuoju stiprumu ir šilumos laidumu.

Anglies nanovamzdeliai yra potencialiai vertingos medžiagos elektronikai, optikai ir kompozitams, ir per ateinančius kelerius metus jie galėtų pakeisti anglies pluoštus. Nanotechnologijos ir medžiagų mokslas taip pat naudoja anglies nanovamzdelius savo tyrimuose.

Grafenas yra anglies izomeras, sudarytas iš vieno anglies atomų sluoksnio, išsidėsčiusio dvimatėje šešiakampių gardelės struktūroje. 2004 m. Jungtinėje Karalystėje Mančesterio universiteto mokslininkai Andrew Geimas ir Konstantinas Novoselovas atliko novatoriškų eksperimentų seriją, už kurią 2010 m. buvo įteikta Nobelio fizikos premija.

Per pastaruosius dešimtmečius grafenas tapo naudinga nanomedžiaga, pasižyminčia itin dideliu tempiamuoju stiprumu, skaidrumu ir elektriniu laidumu, plačiai ir įvairiai pritaikoma elektronikoje, jutikliuose ir kitose pažangiose technologijose.

Llerenas yra dar vienas anglies izomeras, žinomas jau kurį laiką. Jo molekulę sudaro anglies atomai, sujungti viengubomis ir dvigubomis jungtimis tinkle, kuris gali būti uždaras arba iš dalies uždaras. Tinklelis susiliejęs į penkių, šešių arba septynių atomų žiedą.

Fullerino molekulės gali būti tuščiavidurės sferos, elipsoidės, vamzdinės arba daugelio kitų formų ir dydžių. Grafenas gali būti laikomas kraštutiniu fulerenų šeimos nariu, nors jis laikomas atskiros medžiagų klasės nariu.

Hibridinės nanostruktūros

Be išsamių tyrimų, skirtų individualiai suprasti ir apibūdinti šias anglies nanostruktūras, mokslininkai taip pat tyrinėja hibridinių nanostruktūrų, kurios sujungia du ar daugiau nanostruktūrinių elementų į vieną medžiagą, savybes.

Pavyzdžiui,putospasižymi reguliuojamomis savybėmis, kurios leidžia jas naudoti praktiškai, pavyzdžiui, projektuojant sumuštinių struktūras, biologiškai suderinamus dizainus ir didelio stiprumo, mažo svorio konstrukcijas.

Anglies pagrindu pagamintos nanoputos taip pat buvo naudojamos medicinoje kaulų pažeidimams tirti ir kaip pagrindas kauliniam audiniui pakeisti.

Anglies pagrindu sukurtos korio struktūros gaminamos cheminio garų nusodinimo (CVD) ir tirpalo apdorojimo būdu. Taip pat buvo įdiegti kibirkštinio plazminio sukepinimo (SPS) metodai, skirti grafenui naudoti biologiniuose ir medicininiuose taikymuose.

Todėl mokslininkai ieškojo būdų, kaip trimatės anglies putplasčio struktūros būtų stabilios. Tyrimai parodė, kad norint, jog ši medžiaga būtų pakankamai stabili įvairioms reikmėms, tarp skirtingų tipų struktūrų (anglies nanovamzdelių, fulerenų ir grafeno) reikia suformuoti stabilius ryšius.

Nauji hibridinių nanostruktūrų tyrimai

Naujajame Stambulo technikos universiteto Turkijoje mechanikos inžinierių tyrime pristatomas naujo tipo hibridinė nanostruktūra, suformuota cheminiu jungimu.

Porėtos grafeno anglies nanovamzdelių struktūros yra gaminamos organizuojant grafeną aplink anglies nanovamzdelius nanojuostelėse. Skirtingi grafeno nanojuostelių sluoksnių geometriniai išdėstymai aplink anglies nanovamzdelius (kvadratiniai, šešiakampiai ir rombo formos) lemia skirtingas medžiagos fizikines savybes, o tai rodo, kad šis geometrinis pertvarkymas gali būti naudojamas naujoms struktūroms tiksliai suderinti.

Pavyzdžiui, tyrėjai nustatė, kad struktūros, įterptos fulerenais, pasižymėjo dideliu gniuždymo stabilumu ir stiprumu neprarandant tempiamojo stiprumo. Anglies nanostruktūrų geometrinis išdėstymas taip pat turėjo didelę įtaką jų šiluminėms savybėms.

Tyrėjai teigia, kad šios naujos hibridinės nanostruktūros suteikia svarbių pranašumų, ypač aviacijos ir kosmoso pramonei. Nanostruktūros su šiomis hibridinėmis struktūromis taip pat galėtų būti naudojamos vandenilio saugojimui ir nanoelektronikai.