Uued süsiniknanotorude struktuurid hübriidmaterjalidega, mis muudavad nende tähelepanuväärseid omadusi

Süsinikupõhised nanomaterjalid, näiteks süsiniknanotorud (CNT-d), fullereenid ja grafeen, pakuvad huvi oma ainulaadsete füüsikaliste omaduste tõttu. Uus uuring uurib hübriidsete nanostruktuuride potentsiaali ja tutvustab uut poorset grafeeni CNT hübriidstruktuuri, millel on märkimisväärsed termilised ja mehaanilised omadused.

See uuring näitab, kuidas uute grafeeni CNT heterostruktuuride olulisi omadusi saab muuta CNT ja grafeeni sisemise geomeetrilise paigutuse ning mitmesuguste täiteainete vähese muutmisega.

Grafeeni CNT hübriidstruktuuride soojusjuhtivuse ja mehaanilise tugevuse täpne reguleerimisvõime muudab selle potentsiaalselt sobivaks kandidaadiks mitmesuguste rakenduste jaoks, eriti täiustatud lennunduse ja kosmosetööstuses, kus kaal ja tugevus on kriitilise tähtsusega.

Süsiniknanostruktuurid: süsiniknanotorud, grafeen, fullereenid

Süsiniknanostruktuure ja mitme süsiniknanostruktuuri segusid on hiljuti uuritud potentsiaalsete kandidaatidena arvukate sensori-, fotogalvaaniliste, antibakteriaalsete, energia salvestamise, kütuseelementide ja keskkonna parandamise rakenduste jaoks.

Kõige silmapaistvamad uuritud süsinikupõhised nanostruktuurid näivad olevat süsiniknanotorud, grafeen ja fullereenid. Tänu oma äärmiselt väikesele suurusele on neil struktuuridel ainulaadsed termilised, mehaanilised, elektroonilised ja bioloogilised omadused.

Subnanomeetri vahemikus mõõdetud struktuurid toimivad kvantfüüsika eriseaduste kohaselt, seega saab neid kasutada selliste mitte-intuitiivsete nähtuste nagu kvanttunneldamine, kvant-superpositsioon ja kvant-põimumine ärakasutamiseks.

Süsiniknanotorud on süsinikust valmistatud torud, mille läbimõõt on vaid mõni nanomeeter. Süsiniknanotorudel on märkimisväärne elektrijuhtivus ja mõned neist on pooljuhtmaterjalid.

Tänu oma nanostruktuurile ja süsinikuaatomite vahel moodustunud kovalentsete sidemete tugevusele on süsiniknanotorudel ka kõrge tõmbetugevus ja soojusjuhtivus.

Süsiniknanotorud on potentsiaalselt väärtuslikud materjalid elektroonikas, optikas ja komposiitides ning need võivad järgmise paari aasta jooksul süsinikkiud asendada. Nanotehnoloogia ja materjaliteadus kasutavad oma uurimistöös samuti süsiniknanotorusid.

Grafeen on süsiniku isomeer, mis koosneb ühest süsiniku aatomite kihist, mis moodustavad kahemõõtmelise kuusnurkadest koosneva võrestruktuuri. 2004. aastal isoleerisid teadlased Andrew Geimi ja Konstantin Novoselovi teedrajavate katsete seerias Ühendkuningriigis Manchesteri ülikoolis, mis võitis neile 2010. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Sellest ajast alates on grafeenist saanud kasulik nanomaterjal, millel on äärmiselt kõrge tõmbetugevus, läbipaistvus ja elektrijuhtivus ning mida saab kasutada laias ja mitmekesises valikus elektroonikas, sensorites ja muudes kõrgtehnoloogiates.

Llereen on veel üks süsiniku isomeer, mis on tuntud juba mõnda aega. Selle molekul koosneb süsiniku aatomitest, mis on ühendatud üksik- ja kaksiksidemetega võrgustikus, mis võib olla suletud või osaliselt suletud. Võrk on sulanud viiest, kuuest või seitsmest aatomist koosnevasse tsüklisse.

Fullereeni molekulid võivad olla õõnsad kerad, ellipsoidsed, torukujulised või paljude muude kujude ja suurustega. Grafeeni võib pidada fullereenide perekonna äärmuslikuks liikmeks, kuigi seda peetakse omaette materjaliklassi liikmeks.

Hübriidsed nanostruktuurid

Lisaks ulatuslikule uurimistööle, mis on investeeritud nende süsinik-nanostruktuuride individuaalsesse mõistmisse ja iseloomustamisse, uurivad teadlased ka hübriid-nanostruktuuride omadusi, mis ühendavad kaks või enam nanostruktuuriga elementi üheks materjaliks.

Näiteksvahudomavad reguleeritavaid omadusi, mis muudavad need sobivaks praktilisteks rakendusteks, näiteks võileivastruktuuride, bioühilduvate konstruktsioonide ja ülitugevate, väikese kaaluga konstruktsioonide projekteerimiseks.

Süsinikupõhiseid nanovahte on kasutatud ka meditsiinis luukahjustuste uurimiseks ja luukoe asendamise alusena.

Süsinikupõhiseid kärgstruktuure toodetakse keemilise aurustamise (CVD) ja lahustöötluse teel. Grafeeni kasutamiseks bioloogilistes ja meditsiinilistes rakendustes on rakendatud ka sädemeplasma paagutamise (SPS) meetodeid.

Seetõttu on teadlased otsinud viise, kuidas muuta kolmemõõtmelised süsinikvahtstruktuurid stabiilseks. Uuringud on näidanud, et selle materjali stabiilseks muutmiseks laiaulatuslikeks rakendusteks on vaja luua stabiilsed ühendused erinevat tüüpi struktuuride (süsiniknanotorud, fullereenid ja grafeen) vahel.

Uued uuringud hübriidsete nanostruktuuride kohta

Türgi Istanbuli Tehnikaülikooli mehaanikainseneride uus uuring tutvustab uut tüüpi hübriidset nanostruktuuri, mis moodustub keemilise sideme abil.

Poorsed grafeenist süsiniknanotorude struktuurid valmistatakse grafeeni paigutamise teel süsiniknanotorude ümber nanoribadesse. Grafeenist nanoribade kihtide erinev geomeetriline paigutus (ruudukujulised, kuusnurksed ja rombikujulised mustrid) süsiniknanotorude ümber põhjustab materjalis erinevaid füüsikalisi omadusi, mis viitab sellele, et seda geomeetrilist ümberkorraldust saab kasutada uute struktuuride peenhäälestamiseks.

Näiteks leidsid teadlased, et fullereenidega sisestatud struktuurid näitasid märkimisväärset survetugevust ja tugevust, ohverdamata tõmbetugevust. Süsiniknanostruktuuride geomeetrilisel paigutusel oli samuti oluline mõju nende termilistele omadustele.

Teadlaste sõnul pakuvad need uued hübriidsed nanostruktuurid olulisi eeliseid, eriti lennundustööstusele. Selliste hübriidstruktuuridega nanostruktuure saaks kasutada ka vesiniku salvestamiseks ja nanoelektroonikaks.