Noi structuri de nanotuburi de carbon cu materiale hibride care le modifică proprietățile remarcabile

Nanomaterialele pe bază de carbon, cum ar fi nanotuburile de carbon (CNT), fulerenele și grafenul, prezintă interes datorită proprietăților lor fizice unice. Un nou studiu explorează potențialul nanostructurilor hibride și introduce o nouă structură hibridă de CNT poroase din grafen cu proprietăți termice și mecanice semnificative.

Acest studiu arată cum proprietățile semnificative ale noilor heterostructuri de CNT de grafen pot fi modificate prin schimbarea ușoară a aranjamentului geometric intrinsec al CNT-urilor și grafenului, precum și a diverșilor materiale de umplutură.

Capacitatea de a controla cu precizie conductivitatea termică și rezistența mecanică a structurilor hibride CNT de grafen îl face un candidat potențial potrivit pentru o varietate de aplicații, în special în producția aerospațială avansată, unde greutatea și rezistența sunt critice.

Nanostructuri de carbon: nanotuburi de carbon, grafen, fullerene

Nanostructurile de carbon și amestecurile de nanostructuri multiple de carbon au fost recent investigate ca potențiali candidați pentru numeroase aplicații de detectare, fotovoltaică, antibacteriană, stocare a energiei, pilele de combustie și îmbunătățirea mediului.

Cele mai importante nanostructuri pe bază de carbon studiate par a fi nanotuburile de carbon (CNT), grafenul și fulerenele. Datorită dimensiunilor lor extrem de mici, aceste structuri prezintă proprietăți termice, mecanice, electronice și biologice unice.

Structurile măsurate în domeniul subnanometric funcționează conform legilor speciale ale fizicii cuantice, astfel încât pot fi utilizate pentru a exploata fenomene neintuitive, cum ar fi tunelarea cuantică, superpoziția cuantică și inseparabilitatea cuantică.

Nanotuburile de carbon sunt tuburi fabricate din carbon și au doar câțiva nanometri în diametru. Nanotuburile de carbon prezintă o conductivitate electrică remarcabilă, iar unele sunt materiale semiconductoare.

Datorită nanostructurii lor și a rezistenței legăturilor covalente formate între atomii de carbon, nanotuburile de carbon au, de asemenea, o rezistență la tracțiune și o conductivitate termică ridicate.

Nanotuburile de carbon sunt materiale potențial valoroase pentru electronică, optică și compozite și ar putea înlocui fibrele de carbon în următorii câțiva ani. Nanotehnologia și știința materialelor utilizează, de asemenea, nanotuburile de carbon în cercetările lor.

Grafenul este un izomer de carbon sub forma unui singur strat de atomi de carbon aranjați într-o structură de rețea bidimensională formată din hexagoane. În 2004 a fost izolată pentru prima dată grafenul într-o serie de experimente inovatoare realizate de oamenii de știință Andrew Geim și Konstantin Novoselov de la Universitatea din Manchester, Marea Britanie, experimente care le-au adus Premiul Nobel pentru Fizică în 2010.

În deceniile care au urmat, grafenul a devenit un nanomaterial util, cu rezistență la tracțiune extrem de ridicată, transparență și conductivitate electrică, pentru o gamă largă și diversă de aplicații în electronică, senzori și alte tehnologii avansate.

llerenul este un alt izomer de carbon cunoscut de ceva vreme. Molecula sa este formată din atomi de carbon conectați prin legături simple și duble într-o rețea care poate fi închisă sau parțial închisă. Rețeaua este fuzionată cu un inel de cinci, șase sau șapte atomi.

Moleculele de fullerenă pot fi sfere goale, elipsoidale, tubulare sau multe alte forme și dimensiuni. Grafenul poate fi considerat un membru extrem al familiei fullerenelor, deși este considerat a fi un membru al propriei clase de materiale.

Nanostructuri hibride

Pe lângă cercetările ample investite în înțelegerea și caracterizarea individuală a acestor nanostructuri de carbon, oamenii de știință explorează și proprietățile nanostructurilor hibride care combină două sau mai multe elemente nanostructurate într-un singur material.

De exemplu,spumeau proprietăți reglabile care le fac potrivite pentru aplicații practice, cum ar fi proiectarea structurilor sandwich, designuri biocompatibile și proiectarea structurilor de înaltă rezistență și greutate redusă.

Nanospumele pe bază de carbon au fost utilizate și în medicină pentru a examina leziunile osoase și ca bază pentru înlocuirea țesutului osos.

Structurile de tip fagure de miere pe bază de carbon sunt produse prin depunere chimică din vapori (CVD) și tratament în soluție. Metodele de sinterizare cu plasmă scânteie (SPS) au fost, de asemenea, implementate pentru a utiliza grafenul în aplicații biologice și medicale.

Prin urmare, oamenii de știință au căutat modalități de a stabiliza structurile tridimensionale din spumă de carbon. Cercetările au arătat că este nevoie să se formeze conexiuni stabile între diferite tipuri de structuri (nanotuburi de carbon, fulerene și grafen) pentru a face acest material suficient de stabil pentru o gamă largă de aplicații.

Noi cercetări privind nanostructurile hibride

O nouă cercetare realizată de inginerii mecanici de la Universitatea Tehnică din Istanbul, Turcia, introduce un nou tip de nanostructură hibridă formată prin legături chimice.

Structurile poroase de nanotuburi de carbon (CNT) din grafen sunt realizate prin organizarea grafenului în jurul CNT-urilor în nanobenzi. Diferitele aranjamente geometrice ale straturilor de nanobenzi de grafen în jurul nanotuburilor de carbon (modele pătrate, hexagonale și în formă de diamant) duc la observarea unor proprietăți fizice diferite în material, sugerând că această rearanjare geometrică poate fi utilizată pentru reglarea fină a noilor structuri.

Cercetătorii au descoperit, de exemplu, că structurile inserate cu fulerene au prezentat o stabilitate și o rezistență semnificative la compresiune, fără a sacrifica rezistența la tracțiune. Aranjamentul geometric al nanostructurilor de carbon a avut, de asemenea, un efect semnificativ asupra proprietăților lor termice.

Cercetătorii spun că aceste noi nanostructuri hibride oferă avantaje importante, în special pentru industria aerospațială. Nanostructurile cu aceste structuri hibride ar putea fi utilizate și pentru stocarea hidrogenului și nanoelectronică.