Strwythurau Nanotube Carbon Newydd gyda Deunyddiau Hybrid sy'n Addasu eu Priodweddau Rhyfeddol

Mae nanoddeunyddiau sy'n seiliedig ar garbon fel nanotubiau carbon (CNTs), ffwlerenau a graffen o ddiddordeb oherwydd eu priodweddau ffisegol unigryw. Mae astudiaeth newydd yn archwilio potensial nanostrwythurau hybrid ac yn cyflwyno strwythur hybrid CNT graffen mandyllog newydd gyda phriodweddau thermol a mecanyddol sylweddol.

Mae'r astudiaeth hon yn dangos sut y gellir newid priodweddau arwyddocaol heterostrwythurau CNT graffen newydd trwy newid trefniant geometrig cynhenid ​​CNT a graffen ychydig yn ogystal ag amrywiol lenwwyr.

Mae'r gallu i reoli'r dargludedd thermol a'r cryfder mecanyddol yn gywir mewn strwythurau hybrid CNT graffen yn ei gwneud yn ymgeisydd addas o bosibl ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau, yn enwedig mewn gweithgynhyrchu awyrofod uwch lle mae pwysau a chryfder yn hanfodol.

Nanostrwythurau carbon: nanotiwbiau carbon, graffen, ffwlerenau

Yn ddiweddar, mae nanostrwythurau carbon a chymysgeddau o nanostrwythurau carbon lluosog wedi cael eu hymchwilio fel ymgeiswyr posibl ar gyfer nifer o gymwysiadau synhwyro, ffotofoltäig, gwrthfacteria, storio ynni, celloedd tanwydd a gwella'r amgylchedd.

Ymddengys mai'r nanostrwythurau carbon mwyaf amlwg a astudiwyd yw CNTs, graffen a ffwlerenau. Oherwydd eu maint bach iawn, mae'r strwythurau hyn yn arddangos priodweddau thermol, mecanyddol, electronig a biolegol unigryw.

Mae strwythurau a fesurir yn yr ystod is-nanometr yn gweithredu yn ôl deddfau arbennig ffiseg cwantwm, felly gellir eu defnyddio i fanteisio ar ffenomenau anreddfol fel twnelu cwantwm, uwchosodiad cwantwm a chlymu cwantwm.

Tiwbiau wedi'u gwneud o garbon yw nanotubiau carbon ac maent ond ychydig nanometrau mewn diamedr. Mae nanotubiau carbon yn dangos dargludedd trydanol rhyfeddol ac mae rhai yn ddeunyddiau lled-ddargludyddion.

Oherwydd eu nanostrwythur a chryfder y bondiau cofalent a ffurfir rhwng yr atomau carbon, mae gan nanotiwbiau carbon gryfder tynnol a dargludedd thermol uchel hefyd.

Mae nanotubiau carbon yn ddeunyddiau gwerthfawr o bosibl ar gyfer electroneg, opteg a chyfansoddion, a gallent ddisodli ffibrau carbon yn ystod y blynyddoedd nesaf. Mae nanotechnoleg a gwyddor deunyddiau hefyd yn defnyddio nanotubiau carbon yn eu hymchwil.

Mae graffin yn isomer carbon ar ffurf un haen o atomau carbon wedi'u trefnu mewn strwythur dellt dau ddimensiwn sy'n cynnwys hecsagonau. Yn 2004 gwelwyd y cyntaf i ynysu graffin mewn cyfres o arbrofion arloesol gan y gwyddonwyr Andrew Geim a Konstantin Novoselov ym Mhrifysgol Manceinion yn y DU, a enillodd Wobr Nobel mewn Ffiseg iddynt yn 2010.

Yn y degawdau ers hynny, mae graffen wedi dod yn nanoddeunydd defnyddiol gyda chryfder tynnol, tryloywder a dargludedd trydanol eithriadol o uchel ar gyfer ystod eang ac amrywiol o gymwysiadau mewn electroneg, synhwyro a thechnolegau uwch eraill.

Mae lleren yn isomer carbon arall sydd wedi bod yn hysbys ers peth amser. Mae ei foleciwl yn cynnwys atomau carbon sydd wedi'u cysylltu gan fondiau sengl a dwbl mewn rhwyll y gellir ei chau neu ei chau'n rhannol. Mae'r rhwyll wedi'i hasio i gylch o bum, chwech neu saith atom.

Gall moleciwlau ffwleren fod yn sfferau gwag, elipsoidaidd, tiwbaidd neu lawer o siapiau a meintiau eraill. Gellir ystyried graffin yn aelod eithafol o'r teulu ffwleren, er ei fod yn cael ei ystyried yn aelod o'i ddosbarth deunydd ei hun.

Nanostrwythurau hybrid

Yn ogystal â'r ymchwil helaeth a fuddsoddwyd i ddeall a nodweddu'r nanostrwythurau carbon hyn yn unigol, mae gwyddonwyr hefyd yn archwilio priodweddau nanostrwythurau hybrid sy'n cyfuno dau elfen nanostrwythuredig neu fwy yn un deunydd.

Er enghraifft,ewynnausydd â phriodweddau addasadwy sy'n eu gwneud yn addas ar gyfer cymwysiadau ymarferol megis dylunio strwythurau brechdan, dyluniadau biogydnaws a dylunio strwythurau cryfder uchel, pwysau isel.

Mae nanofoams sy'n seiliedig ar garbon hefyd wedi cael eu defnyddio mewn meddygaeth i archwilio difrod i esgyrn ac fel sail ar gyfer disodli meinwe esgyrn.

Cynhyrchir strwythurau diliau mêl sy'n seiliedig ar garbon trwy ddyddodiad anwedd cemegol (CVD) a thriniaeth hydoddiant. Mae dulliau sinteru plasma gwreichionen (SPS) hefyd wedi'u rhoi ar waith i ddefnyddio graffen ar gyfer cymwysiadau biolegol a meddygol.

Felly mae gwyddonwyr wedi bod yn chwilio am ffyrdd o wneud strwythurau ewyn carbon tri dimensiwn yn sefydlog. Mae ymchwil wedi dangos bod angen ffurfio cysylltiadau sefydlog rhwng gwahanol fathau o strwythurau (nano-diwbiau carbon, ffwlerenau a graffen) er mwyn gwneud y deunydd hwn yn ddigon sefydlog ar gyfer ystod eang o gymwysiadau.

Ymchwil newydd ar nanostrwythurau hybrid

Mae ymchwil newydd gan beirianwyr mecanyddol ym Mhrifysgol Dechnegol Istanbul yn Nhwrci yn cyflwyno math newydd o nanostrwythur hybrid a ffurfiwyd gan fondio cemegol.

Gwneir strwythurau CNT graffen mandyllog trwy drefnu graffen o amgylch CNTs mewn nanoribinau. Mae'r trefniadau geometrig gwahanol o haenau nanoribin graffen o amgylch y nanotiwbiau carbon (patrymau sgwâr, hecsagonol a diemwnt) yn arwain at wahanol briodweddau ffisegol yn cael eu harsylwi yn y deunydd, gan awgrymu y gellir defnyddio'r aildrefnu geometrig hwn i fireinio'r strwythurau newydd.

Canfu'r ymchwilwyr, er enghraifft, fod strwythurau a fewnosodwyd gyda ffwlerenau yn arddangos sefydlogrwydd a chryfder cywasgol sylweddol heb aberthu cryfder tynnol. Roedd trefniant geometrig y nanostrwythurau carbon hefyd wedi cael effaith sylweddol ar eu priodweddau thermol.

Dywed yr ymchwilwyr fod y nanostrwythurau hybrid newydd hyn yn cynnig manteision pwysig, yn enwedig i'r diwydiant awyrofod. Gellid defnyddio nanostrwythurau gyda'r strwythurau hybrid hyn hefyd ar gyfer storio hydrogen a nanoelectroneg.