Kogud

Mis on süsinik-nanotorud ja milleks neid kasutatakse?

Mis on süsinik-nanotorud ja milleks neid kasutatakse?

Süsinik nanotorud on uskumatud asjad. Need võivad olla terasest tugevamad, olles samal ajal õhemad kui inimese juuksed.

Need on ka väga stabiilsed, kerged ja uskumatute elektriliste, termiliste ja mehaaniliste omadustega. Sel põhjusel on neil paljude huvitavate tulevikumaterjalide väljatöötamise potentsiaal.

Neil võib olla ka võti tuleviku materjalide ja struktuuride, näiteks kosmoseliftide ehitamiseks.

Siin uurime, mis need on, kuidas neid tehakse ja milliseid rakendusi neil kipub olema. See ei ole mõeldud ammendavaks juhiseks ja on mõeldud kasutamiseks ainult kiire ülevaatena.

SEOTUD: NEED SÜSINIKU NANOTUUBID VÕIVAD RÕIVADEGA TEHNIKAADAID

Mis on süsiniknanotorud ja nende omadused?

Süsiniku nanotorud (lühidalt CNT), nagu nimigi ütleb, on süsinikust valmistatud silindrikujulised väikesed struktuurid. Kuid mitte ainult süsinik, CNT-d koosnevad ühe süsiniku molekulide kihi, mida nimetatakse grafeeniks, valtsitud lehtedest.

Neil on tavaliselt kaks peamist vormi (krediit nanowerk.com-le):

1. Üheseinalised süsiniknanotorud (SWCNT) - Nende läbimõõt on tavaliselt väiksem kui 1 nm.

2. Mitmeseinalised süsiniknanotorud (MWCNT) - Need koosnevad mitmest kontsentraalselt seotud nanotorust ja nende läbimõõt võib tavaliselt ületada 100 nm.

Mõlemal juhul võivad CNT-d olla erineva pikkusega vahemikus mitu mikromeetrit kuni sentimeetrini.

Kuna torud on ehitatud eranditult grafeenist, on neil palju selle huvitavaid omadusi. Näiteks CNT-d on seotud sp2 sidemetega - need on molekulaarsel tasandil ülitugevad.

Süsiniknanotorudel on ka kalduvus van der Waalsi jõudude kaudu kokku köiendada. See tagab neile kõrge tugevuse ja väikese kaalu. Need kipuvad olema ka väga elektrit juhtivad ja soojusjuhtivad materjalid.

"Üksikud CNT-seinad võivad olla metallist või pooljuhtivad, sõltuvalt võre orientatsioonist toru telje suhtes, mida nimetatakse kiraalsuseks."

Süsinik nanotorudel on ka muid hämmastavaid termilisi ja mehaanilisi omadusi, mis muudavad need uute materjalide väljatöötamiseks atraktiivseks.

Näiteks (krediit nanowerk.com):

  • CNT-del võib olla mehaaniline tõmbetugevus 400 korda tavalisest terasest.

  • Need on väga kerged, kuna nende tihedus on kuuendik terasest.

  • CNT-de soojusjuhtivus on parem kui teemandil.

  • Süsinik nanotorude väga kõrge kuvasuhe on suurem kui 1000. Teisisõnu, nende pikkus on äärmiselt õhuke.

  • "Nende otsa pind on teoreetilise piiri lähedal (mida väiksem on tipu pind, seda kontsentreeritum on elektriväli ja seda suurem on välja parandamise tegur).

  • Nagu grafiit, on need keemiliselt väga stabiilsed ja taluvad praktiliselt kõiki keemilisi mõjusid, kui neid ei mõjuta samaaegselt kõrge temperatuur ja hapnik - see muudab need korrosioonile eriti vastupidavaks.

  • Nende õõnsat siseruumi saab täita mitmesuguste nanomaterjalidega, eraldades ja varjates neid ümbritsevast keskkonnast - see on omadus, mis on äärmiselt kasulik nanomeditsiini rakenduste jaoks, näiteks ravimite kohaletoimetamine. "

Mida teevad süsiniknanotorud?

Nagu me juba nägime, on süsiniknanotorudel mõned väga ebatavalised omadused. Seetõttu on CNT-del palju huvitavaid ja mitmekesiseid rakendusi.

Tegelikult ületas Wikipedia Science Directi vahendusel 2013. aastast alates süsinik-nanotorude tootmine mitu tuhat tonni aastas. Nendel nanotorudel on palju rakendusi, sealhulgas:

  • Energiasalvestuse lahendused
  • Seadme modelleerimine
  • Komposiitstruktuurid
  • Mootorsõidukite osad, sealhulgas potentsiaalselt vesinikkütuseelementidega autodes
  • Paadi kered
  • Spordikaubad
  • Veefiltrid
  • Õhukese kilega elektroonika
  • Katted
  • Täiturid
  • Elektromagnetiline varjestus
  • Tekstiil
  • Biomeditsiinilised rakendused, sealhulgas luude ja lihaste koetehnika, kemikaalide kohaletoimetamine, biosensorid ja palju muud

Samuti on palju paljutõotavaid valdkondi, kus süsiniknanotorud võiksid aidata ka teistes põnevates valdkondades.

Mis on mitmekihilised süsiniknanotorud?

Nagu me juba nägime, on mitme seinaga süsiniknanotorud need nanotorud, mis on valmistatud mitmest kontsentraalselt omavahel seotud nanotorust. Neil on tavaliselt läbimõõt, mis võib ulatuda üle 100 nm.

Nende pikkus võib ületada sentimeetreid ja nende kuvasuhe on tavaliselt erinev 10 ja 10 miljonit.

"Neid saab üheseinalistest süsiniknanotorudest eristada nende mitmekihilise vene nuku struktuuri ja jäikuse põhjal ning nad moodustavad süsinik nanokiud nende erineva seinakonstruktsiooni, väiksema välisläbimõõdu ja õõnsate sisemuste põhjal," märgib Ákos Kukovecz jt.

Mitme seinaga nanotorud võivad sisaldada 6 ja 25 või rohkem kontsentrilisi seinu.

MWCNT-del on mõned suurepärased omadused, mida saab kasutada paljudes kommertsrakendustes. Nende hulka kuuluvad (krediit azonona.com-ile):

  • Elektriline: MWNT-d on komposiitstruktuuri korralikult integreerituna väga juhtivad. Tuleb märkida, et ainult välissein on juhtiv, siseseinad ei ole juhtivuse seisukohalt olulised.

  • Morfoloogia: MWNT-d on suure kuvasuhtega, pikkustega tavaliselt üle 100 korda läbimõõduga ja teatud juhtudel palju suurem. Nende toimivus ja rakendus ei põhine mitte ainult kuvasuhtel, vaid ka torude takerdumisastmel ja sirgusel, mis omakorda sõltub nii torude defektide astmest kui ka mõõtmetest.

  • Füüsiline: Defektivabad, individuaalsed MWNT-d on suurepärase tõmbetugevusega ja kui need on integreeritud komposiitidesse, näiteks termoplastsesse või termoreaktiivsesse ühendisse, võivad selle tugevus märkimisväärselt suureneda.

  • Soojus: MWNT-de termiline stabiilsus on üle 600 ° C, mis põhineb defektide tasemel ja teatud määral puhtusel, kuna toote katalüsaatorijääk võib katalüüsida ka lagunemist.

  • Keemiline: MWNT-d on sp2 hübridiseeritud süsinik, sarnane grafiidile ja fullereenidele ning sellisena on kõrge keemilise stabiilsusega. Siiski saab nanotorusid funktsionaliseerida, et suurendada nii komposiitide tugevust kui ka hajuvust.

Kuidas moodustuvad süsiniknanotorud?

Praeguseks on süsiniknanotorude tootmiseks kolm peamist meetodit.

Need on:

1. Kaarlahendus

Selles protsessis põletatakse grafiiti elektrooniliselt. CNT-d moodustuvad gaasilises faasis, mis hiljem eraldatakse.

Selles protsessis kasutatakse katalüsaatorina ka metalli nagu raud, koobalt või nikkel.

2. Grafiidi laserablatsioon

Sarnaselt ülaltoodud kaarlahendusega põletatakse grafiiti, välja arvatud seekord laseri abil. CNT vorm sarnasel viisil ja hiljem ka eraldatud.

Selles tehnikas kasutatakse protsessi hõlbustamiseks ka metallkatalüsaatoreid.

3. Plasma tõrvik

Sarnaselt kahele esimesele ülaltoodud meetodile, kasutatakse plasmapõleti valmistamise protsessis süsiniknanotorude loomiseks grafiidi aurude asemel süsinikku sisaldavat gaasi.

4. Keemiline auru sadestamine (CVD)

CVD on protsess, millel on suurim lubadus CNT-de tootmiseks. See võimaldab palju suuremat kvantitatiivset tootmisprotsessi ja on palju paremini kontrollitav.

See on ka odavam.

CVD ajal valmistatakse substraat metallkatalüsaatorosakeste kihiga, kõige sagedamini nikli, koobalti, rauaga või nende kombinatsiooniga.

"Nanotorud kasvavad metallkatalüsaatori kohtades; süsinikku sisaldav gaas laguneb katalüsaatori osakese pinnal ja süsinik transporditakse osakese servadesse, kus see moodustab nanotorud," märgib redigeeritud maht süsiniku nanomaterjalide keemilise funktsionaliseerimise kohta.

See protsess võib olla puhtalt katalüütiline või toetatud plasmaga.

5. Vedel elektrolüüs

Selle tehnika avastas 2015. aastal George Washingtoni ülikool MWCNT tootmiseks sulatatud karbonaatide elektrolüüsi teel. Põhiprotsess on sarnane CVD-ga.


Vaata videot: Pollution: Crash Course Ecology #11 (Oktoober 2021).