Новые структуры углеродных нанотрубок с гибридными материалами, которые изменяют их замечательные свойства

Наноматериалы на основе углерода, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены и графен, представляют интерес из-за их уникальных физических свойств. Новое исследование изучает потенциал гибридных наноструктур и представляет новую пористую графеновую гибридную структуру УНТ со значительными термическими и механическими свойствами.

В этом исследовании показано, как можно изменить важные свойства новых гетероструктур графеновых УНТ, слегка изменив внутреннюю геометрическую структуру УНТ и графена, а также различные наполнители.

Возможность точного контроля теплопроводности и механической прочности гибридных структур на основе графена и УНТ делает его потенциально подходящим кандидатом для различных применений, особенно в передовом аэрокосмическом производстве, где вес и прочность имеют решающее значение.

Углеродные наноструктуры: углеродные нанотрубки, графен, фуллерены

Углеродные наноструктуры и смеси нескольких углеродных наноструктур недавно были исследованы в качестве потенциальных кандидатов для многочисленных применений в сенсорных, фотоэлектрических, антибактериальных устройствах, системах хранения энергии, топливных элементах и ​​для улучшения окружающей среды.

Наиболее известными изученными наноструктурами на основе углерода, по-видимому, являются УНТ, графен и фуллерены. Благодаря своим чрезвычайно малым размерам, эти структуры проявляют уникальные тепловые, механические, электронные и биологические свойства.

Структуры, измеряемые в субнанометровом диапазоне, работают в соответствии со специальными законами квантовой физики, поэтому их можно использовать для изучения неинтуитивных явлений, таких как квантовое туннелирование, квантовая суперпозиция и квантовая запутанность.

Углеродные нанотрубки — это трубки из углерода, диаметром всего несколько нанометров. Углеродные нанотрубки демонстрируют замечательную электропроводность, а некоторые из них являются полупроводниковыми материалами.

Благодаря своей наноструктуре и прочности ковалентных связей, образующихся между атомами углерода, углеродные нанотрубки также обладают высокой прочностью на разрыв и теплопроводностью.

Углеродные нанотрубки являются потенциально ценными материалами для электроники, оптики и композитов, и они могут заменить углеродные волокна в ближайшие несколько лет. Нанотехнологии и материаловедение также используют углеродные нанотрубки в своих исследованиях.

Графен — это изомер углерода в виде одного слоя атомов углерода, расположенных в двумерной решетчатой ​​структуре, состоящей из шестиугольников. В 2004 году впервые был выделен графен в серии пионерских экспериментов ученых Эндрю Гейма и Константина Новоселова из Манчестерского университета в Великобритании, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

За прошедшие с тех пор десятилетия графен превратился в полезный наноматериал с чрезвычайно высокой прочностью на разрыв, прозрачностью и электропроводностью для широкого спектра применений в электронике, датчиках и других передовых технологиях.

Иллерен — еще один изомер углерода, который известен уже некоторое время. Его молекула состоит из атомов углерода, соединенных одинарными и двойными связями в сетку, которая может быть закрытой или частично закрытой. Сетка слита в кольцо из пяти, шести или семи атомов.

Молекулы фуллерена могут быть полыми сферами, эллипсоидальными, трубчатыми или иметь множество других форм и размеров. Графен можно считать крайним членом семейства фуллеренов, хотя его считают членом своего собственного класса материалов.

Гибридные наноструктуры

Помимо обширных исследований, направленных на изучение и характеристику этих углеродных наноструктур по отдельности, ученые также изучают свойства гибридных наноструктур, объединяющих два или более наноструктурных элемента в один материал.

Например,пеныобладают регулируемыми свойствами, что делает их пригодными для практического применения, например, для проектирования сэндвич-структур, биосовместимых конструкций и проектирования высокопрочных, легких конструкций.

Нанопены на основе углерода также используются в медицине для изучения повреждений костей и в качестве основы для замены костной ткани.

Сотовые структуры на основе углерода производятся методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) и обработки раствора. Методы искрового плазменного спекания (SPS) также были реализованы для использования графена в биологических и медицинских целях.

Поэтому ученые искали способы сделать трехмерные структуры углеродной пены стабильными. Исследования показали, что необходимо сформировать стабильные связи между различными типами структур (углеродные нанотрубки, фуллерены и графен), чтобы сделать этот материал достаточно стабильным для широкого спектра применений.

Новые исследования гибридных наноструктур

Новое исследование инженеров-механиков Стамбульского технического университета в Турции представляет новый тип гибридной наноструктуры, образованной путем химической связи.

Пористые графеновые структуры CNT изготавливаются путем организации графена вокруг CNT в нанолентах. Различные геометрические расположения слоев графеновых нанолент вокруг углеродных нанотрубок (квадратные, шестиугольные и ромбовидные узоры) приводят к различным физическим свойствам, наблюдаемым в материале, что позволяет предположить, что эта геометрическая перестройка может использоваться для тонкой настройки новых структур.

Исследователи обнаружили, например, что структуры, вставленные с фуллеренами, демонстрируют значительную устойчивость к сжатию и прочность без ущерба для прочности на растяжение. Геометрическое расположение углеродных наноструктур также оказало значительное влияние на их термические свойства.

Исследователи говорят, что эти новые гибридные наноструктуры предлагают важные преимущества, особенно для аэрокосмической промышленности. Наноструктуры с этими гибридными структурами также могут использоваться для хранения водорода и наноэлектроники.