מבנים חדשים של ננו-צינוריות פחמן עם חומרים היברידיים שמשנים את תכונותיהם המדהימות

ננו-חומרים מבוססי פחמן כגון ננו-צינוריות פחמן (CNTs), פולרנים וגרפן מעניינים בשל תכונותיהם הפיזיקליות הייחודיות. מחקר חדש בוחן את הפוטנציאל של ננו-מבנים היברידיים ומציג מבנה היברידי חדש של ננו-צינוריות פחמן (CNT) מסוג גרפן נקבובי בעל תכונות תרמיות ומכניות משמעותיות.

מחקר זה מראה כיצד ניתן לשנות את התכונות המשמעותיות של הטרומבנים חדשים של CNT בגרפן על ידי שינוי קל של הסידור הגיאומטרי הפנימי של CNT וגרפן, כמו גם חומרי מילוי שונים.

היכולת לשלוט במדויק במוליכות התרמית ובחוזק המכני במבנים היברידיים של גרפן CNT הופכת אותו למועמד פוטנציאלי מתאים למגוון יישומים, במיוחד בייצור מתקדם של חלל שבו משקל וחוזק הם קריטיים.

ננו-מבנים של פחמן: ננו-צינוריות פחמן, גרפן, פולרנים

ננו-מבנים של פחמן ותערובות של ננו-מבנים מרובים נחקרו לאחרונה כמועמדים פוטנציאליים ליישומים רבים של חישה, פוטו-וולטאית, אנטיבקטריאלי, אגירת אנרגיה, תאי דלק ושיפור הסביבה.

נראה כי הננו-מבנים הבולטים ביותר מבוססי פחמן שנחקרו הם ננו-ננו-ניטרול (CNTs), גרפן ופולרנים. בשל גודלם הקטן ביותר, מבנים אלה מציגים תכונות תרמיות, מכניות, אלקטרוניות וביולוגיות ייחודיות.

מבנים הנמדדים בטווח התת-ננומטרי פועלים לפי החוקים המיוחדים של פיזיקת הקוונטים, כך שניתן להשתמש בהם כדי לנצל תופעות לא אינטואיטיביות כגון מנהור קוונטי, סופרפוזיציה קוונטית ושזירה קוונטית.

ננו-צינוריות פחמן הן צינורות העשויות מפחמן וקוטרן ננומטרים ספורים בלבד. ננו-צינוריות פחמן מציגות מוליכות חשמלית יוצאת דופן וחלקן הן חומרים מוליכים למחצה.

בשל הננו-מבנה שלהם וחוזק הקשרים הקוולנטיים הנוצרים בין אטומי הפחמן, לננו-צינוריות פחמן יש גם חוזק מתיחה ומוליכות תרמית גבוהים.

ננו-צינוריות פחמן הן חומרים בעלי פוטנציאל רב ערך עבור אלקטרוניקה, אופטיקה וחומרים מרוכבים, והן עשויות להחליף סיבי פחמן בשנים הקרובות. ננוטכנולוגיה ומדעי החומרים משתמשים גם הם בננו-צינוריות פחמן במחקר שלהם.

גרפן הוא איזומר פחמן בצורת שכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים במבנה סריג דו-ממדי המורכב ממשושים. בשנת 2004 בודד לראשונה גרפן בסדרת ניסויים חלוציים של המדענים אנדרו גיים וקונסטנטין נובוסלוב מאוניברסיטת מנצ'סטר בבריטניה, אשר זיכו אותם בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010.

בעשורים שחלפו מאז, גרפן הפך לחומר ננו שימושי בעל חוזק מתיחה, שקיפות ומוליכות חשמלית גבוהים במיוחד עבור מגוון רחב ומגוון של יישומים באלקטרוניקה, חישה וטכנולוגיות מתקדמות אחרות.

לרן הוא איזומר פחמן נוסף הידוע מזה זמן מה. המולקולה שלו מורכבת מאטומי פחמן המחוברים באמצעות קשרים יחידים וכפולים ברשת שיכולה להיות סגורה או סגורה חלקית. הרשת מחוברת לטבעת של חמישה, שישה או שבעה אטומים.

מולקולות פולרן יכולות להיות כדוריות חלולות, אליפסואידיות, צינוריות או צורות וגדלים רבים אחרים. גרפן יכול להיחשב כחבר קיצוני במשפחת הפולרן, למרות שהוא נחשב לחבר בקבוצת חומרים משלו.

ננו-מבנים היברידיים

בנוסף למחקר הנרחב שהושקע בהבנה ואפיון ננו-מבנים פחמן אלה בנפרד, מדענים חוקרים גם את התכונות של ננו-מבנים היברידיים המשלבים שני יסודות ננו-מובנים או יותר לחומר אחד.

לדוגמה,קצףבעלי תכונות מתכווננות ההופכות אותם מתאימים ליישומים מעשיים כגון תכנון מבני סנדוויץ', עיצובים ביו-תואמים ותכנון מבנים בעלי חוזק גבוה ומשקל נמוך.

ננו-קצף מבוסס פחמן שימש גם ברפואה לבדיקת נזקי עצם וכבסיס להחלפת רקמת עצם.

מבני חלת דבש מבוססי פחמן מיוצרים על ידי שקיעת אדים כימית (CVD) וטיפול בתמיסה. שיטות סינטור פלזמה ניצוצות (SPS) יושמו גם הן לשימוש בגרפן ליישומים ביולוגיים ורפואיים.

לכן, מדענים חיפשו דרכים לייצר מבנים תלת-ממדיים של קצף פחמן יציבים. מחקרים הראו שיש ליצור קשרים יציבים בין סוגים שונים של מבנים (ננו-צינוריות פחמן, פולרנים וגרפן) על מנת להפוך את החומר הזה ליציב מספיק עבור מגוון רחב של יישומים.

מחקר חדש על ננו-מבנים היברידיים

מחקר חדש של מהנדסי מכונות באוניברסיטה הטכנית של איסטנבול בטורקיה מציג סוג חדש של ננו-מבנה היברידי שנוצר על ידי קשר כימי.

מבני ננו-צינוריות גרפן נקבוביות (CNT) נוצרים על ידי ארגון גרפן סביב ננו-צינוריות פחמן (CNTs) בסרטים ננומטריים. הסידורים הגיאומטריים השונים של שכבות סרטי הננו-צינוריות של הגרפן סביב ננו-צינוריות הפחמן (דפוסים מרובעים, משושים ויהלומים) מובילים לתכונות פיזיקליות שונות הנצפות בחומר, דבר המצביע על כך שניתן להשתמש בסידור גיאומטרי זה כדי לכוונן את המבנים החדשים.

החוקרים מצאו, לדוגמה, שמבנים שהוכנסו אליהם פולרנים הציגו יציבות דחיסה וחוזק משמעותיים מבלי להתפשר על חוזק המתיחה. הסידור הגיאומטרי של ננו-מבני הפחמן השפיע גם הוא באופן משמעותי על תכונותיהם התרמיות.

החוקרים אומרים כי ננו-מבנים היברידיים חדשים אלה מציעים יתרונות חשובים, במיוחד עבור תעשיית התעופה והחלל. ננו-מבנים עם מבנים היברידיים אלה יוכלו לשמש גם לאחסון מימן ולננו-אלקטרוניקה.