Νέες δομές νανοσωλήνων άνθρακα με υβριδικά υλικά που τροποποιούν τις αξιοσημείωτες ιδιότητές τους

Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα, όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT), τα φουλερένια και το γραφένιο, παρουσιάζουν ενδιαφέρον λόγω των μοναδικών φυσικών τους ιδιοτήτων. Μια νέα μελέτη διερευνά τις δυνατότητες των υβριδικών νανοδομών και εισάγει μια νέα πορώδη υβριδική δομή CNT γραφενίου με σημαντικές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες.

Αυτή η μελέτη δείχνει πώς οι σημαντικές ιδιότητες των νέων ετεροδομών CNT γραφενίου μπορούν να τροποποιηθούν αλλάζοντας ελαφρώς την εγγενή γεωμετρική διάταξη του CNT και του γραφενίου, καθώς και διάφορα υλικά πλήρωσης.

Η ικανότητα ακριβούς ελέγχου της θερμικής αγωγιμότητας και της μηχανικής αντοχής στις υβριδικές δομές CNT από γραφένιο το καθιστά δυνητικά κατάλληλο υποψήφιο για μια ποικιλία εφαρμογών, ιδιαίτερα στην προηγμένη αεροδιαστημική κατασκευή όπου το βάρος και η αντοχή είναι κρίσιμα.

Νανοδομές άνθρακα: νανοσωλήνες άνθρακα, γραφένιο, φουλερένια

Οι νανοδομές άνθρακα και τα μείγματα πολλαπλών νανοδομών άνθρακα έχουν πρόσφατα διερευνηθεί ως πιθανοί υποψήφιοι για πολυάριθμες εφαρμογές ανίχνευσης, φωτοβολταϊκών, αντιβακτηριακών, αποθήκευσης ενέργειας, κυψελών καυσίμου και περιβαλλοντικής βελτίωσης.

Οι πιο σημαντικές νανοδομές με βάση τον άνθρακα που έχουν μελετηθεί φαίνεται να είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT), το γραφένιο και τα φουλερένια. Λόγω του εξαιρετικά μικρού τους μεγέθους, αυτές οι δομές παρουσιάζουν μοναδικές θερμικές, μηχανικές, ηλεκτρονικές και βιολογικές ιδιότητες.

Οι δομές που μετρώνται στην υπονανομετρική περιοχή λειτουργούν σύμφωνα με τους ειδικούς νόμους της κβαντικής φυσικής, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιοποίηση μη διαισθητικών φαινομένων όπως η κβαντική σήραγγωση, η κβαντική υπέρθεση και η κβαντική διεμπλοκή.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σωλήνες κατασκευασμένοι από άνθρακα και έχουν διάμετρο μόνο λίγα νανόμετρα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα εμφανίζουν αξιοσημείωτη ηλεκτρική αγωγιμότητα και ορισμένοι είναι ημιαγωγικά υλικά.

Λόγω της νανοδομής τους και της ισχύος των ομοιοπολικών δεσμών που σχηματίζονται μεταξύ των ατόμων άνθρακα, οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν επίσης υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και θερμική αγωγιμότητα.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι δυνητικά πολύτιμα υλικά για ηλεκτρονικά, οπτικά και σύνθετα υλικά, και θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις ίνες άνθρακα τα επόμενα χρόνια. Η νανοτεχνολογία και η επιστήμη υλικών χρησιμοποιούν επίσης νανοσωλήνες άνθρακα στην έρευνά τους.

Το γραφένιο είναι ένα ισομερές άνθρακα με τη μορφή ενός μόνο στρώματος ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε μια δισδιάστατη δομή πλέγματος που αποτελείται από εξάγωνα. Το 2004 έγινε η πρώτη απομόνωση γραφενίου σε μια σειρά πρωτοποριακών πειραμάτων από τους επιστήμονες Άντριου Γκάιμ και Κονσταντίν Νοβοσελόφ στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο, τα οποία τους χάρισαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010.

Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, το γραφένιο έχει γίνει ένα χρήσιμο νανοϋλικό με εξαιρετικά υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, διαφάνεια και ηλεκτρική αγωγιμότητα για ένα ευρύ και ποικίλο φάσμα εφαρμογών στην ηλεκτρονική, την ανίχνευση και άλλες προηγμένες τεχνολογίες.

Το λερένιο είναι ένα άλλο ισομερές άνθρακα που είναι γνωστό εδώ και αρκετό καιρό. Το μόριό του αποτελείται από άτομα άνθρακα που συνδέονται με απλούς και διπλούς δεσμούς σε ένα πλέγμα που μπορεί να είναι κλειστό ή μερικώς κλειστό. Το πλέγμα είναι συντηγμένο σε έναν δακτύλιο πέντε, έξι ή επτά ατόμων.

Τα μόρια φουλερενίου μπορεί να είναι κοίλες σφαίρες, ελλειψοειδή, σωληνοειδή ή πολλά άλλα σχήματα και μεγέθη. Το γραφένιο μπορεί να θεωρηθεί ακραίο μέλος της οικογένειας των φουλερενίων, αν και θεωρείται μέλος της δικής του κατηγορίας υλικών.

Υβριδικές νανοδομές

Εκτός από την εκτεταμένη έρευνα που έχει επενδυθεί στην κατανόηση και τον χαρακτηρισμό αυτών των νανοδομών άνθρακα μεμονωμένα, οι επιστήμονες διερευνούν επίσης τις ιδιότητες των υβριδικών νανοδομών που συνδυάζουν δύο ή περισσότερα νανοδομημένα στοιχεία σε ένα υλικό.

Για παράδειγμα,αφροίέχουν ρυθμιζόμενες ιδιότητες που τα καθιστούν κατάλληλα για πρακτικές εφαρμογές όπως ο σχεδιασμός δομών σάντουιτς, βιοσυμβατών σχεδίων και ο σχεδιασμός κατασκευών υψηλής αντοχής και χαμηλού βάρους.

Οι νανοαφροί με βάση τον άνθρακα έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί στην ιατρική για την εξέταση της οστικής βλάβης και ως βάση για την αντικατάσταση του οστικού ιστού.

Οι δομές κηρήθρας με βάση τον άνθρακα παράγονται με χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και επεξεργασία σε διάλυμα. Έχουν επίσης εφαρμοστεί μέθοδοι πυροσυσσωμάτωσης με σπινθήρα πλάσματος (SPS) για τη χρήση γραφενίου για βιολογικές και ιατρικές εφαρμογές.

Συνεπώς, οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους για να καταστήσουν σταθερές τις τρισδιάστατες δομές αφρού άνθρακα. Η έρευνα έχει δείξει ότι πρέπει να σχηματίζονται σταθερές συνδέσεις μεταξύ διαφορετικών τύπων δομών (νανοσωλήνες άνθρακα, φουλερένια και γραφένιο) προκειμένου να καταστεί αυτό το υλικό αρκετά σταθερό για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Νέα έρευνα για τις υβριδικές νανοδομές

Νέα έρευνα μηχανολόγων μηχανικών στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Κωνσταντινούπολης στην Τουρκία εισάγει έναν νέο τύπο υβριδικής νανοδομής που σχηματίζεται μέσω χημικών δεσμών.

Οι πορώδεις δομές CNT από γραφένιο κατασκευάζονται με την οργάνωση του γραφενίου γύρω από τους CNT σε νανοκορδέλες. Οι διαφορετικές γεωμετρικές διατάξεις των στρωμάτων νανοκορδέλας γραφενίου γύρω από τους νανοσωλήνες άνθρακα (τετράγωνα, εξαγωνικά και διαμαντένια μοτίβα) οδηγούν σε διαφορετικές φυσικές ιδιότητες που παρατηρούνται στο υλικό, γεγονός που υποδηλώνει ότι αυτή η γεωμετρική αναδιάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τελειοποίηση των νέων δομών.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν, για παράδειγμα, ότι οι δομές που εισήχθησαν με φουλερένια παρουσίασαν σημαντική σταθερότητα και αντοχή σε θλίψη χωρίς να θυσιάσουν την αντοχή σε εφελκυσμό. Η γεωμετρική διάταξη των νανοδομών άνθρακα είχε επίσης σημαντική επίδραση στις θερμικές τους ιδιότητες.

Οι ερευνητές λένε ότι αυτές οι νέες υβριδικές νανοδομές προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα, ειδικά για την αεροδιαστημική βιομηχανία. Οι νανοδομές με αυτές τις υβριδικές δομές θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση υδρογόνου και τη νανοηλεκτρονική.