Cấu trúc ống nano cacbon mới với vật liệu lai có thể thay đổi các đặc tính đáng chú ý của chúng

Các vật liệu nano gốc carbon như ống nano carbon (CNT), fullerene và graphene được quan tâm do các tính chất vật lý độc đáo của chúng. Một nghiên cứu mới khám phá tiềm năng của các cấu trúc nano lai và giới thiệu một cấu trúc lai CNT graphene xốp mới có các tính chất nhiệt và cơ học đáng kể.

Nghiên cứu này cho thấy các tính chất quan trọng của cấu trúc dị thể CNT graphene mới có thể được thay đổi như thế nào bằng cách thay đổi một chút sự sắp xếp hình học nội tại của CNT và graphene cũng như các chất độn khác nhau.

Khả năng kiểm soát chính xác độ dẫn nhiệt và độ bền cơ học trong các cấu trúc lai CNT graphene khiến nó trở thành ứng cử viên phù hợp cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong sản xuất hàng không vũ trụ tiên tiến, nơi trọng lượng và độ bền rất quan trọng.

Cấu trúc nano cacbon: ống nano cacbon, graphene, fullerene

Gần đây, các cấu trúc nano cacbon và hỗn hợp của nhiều cấu trúc nano cacbon đã được nghiên cứu như những ứng viên tiềm năng cho nhiều ứng dụng cảm biến, quang điện, kháng khuẩn, lưu trữ năng lượng, pin nhiên liệu và cải thiện môi trường.

Các cấu trúc nano dựa trên carbon nổi bật nhất được nghiên cứu có vẻ là CNT, graphene và fullerene. Do kích thước cực nhỏ, các cấu trúc này thể hiện các đặc tính nhiệt, cơ học, điện tử và sinh học độc đáo.

Các cấu trúc được đo trong phạm vi dưới nanomet hoạt động theo các định luật đặc biệt của vật lý lượng tử, do đó chúng có thể được sử dụng để khai thác các hiện tượng không trực quan như hiệu ứng đường hầm lượng tử, chồng chập lượng tử và vướng víu lượng tử.

Ống nano cacbon là ống làm bằng cacbon và chỉ có đường kính vài nanomet. Ống nano cacbon có độ dẫn điện đáng kể và một số là vật liệu bán dẫn.

Do cấu trúc nano và độ bền của liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các nguyên tử carbon, ống nano carbon cũng có độ bền kéo và độ dẫn nhiệt cao.

Ống nano carbon là vật liệu có giá trị tiềm năng cho thiết bị điện tử, quang học và vật liệu tổng hợp, và chúng có thể thay thế sợi carbon trong vài năm tới. Công nghệ nano và khoa học vật liệu cũng đang sử dụng ống nano carbon trong nghiên cứu của họ.

Graphene là một đồng phân cacbon có dạng một lớp nguyên tử cacbon được sắp xếp theo cấu trúc mạng hai chiều gồm các hình lục giác. Năm 2004 chứng kiến ​​lần đầu tiên graphene được phân lập trong một loạt các thí nghiệm tiên phong của các nhà khoa học Andrew Geim và Konstantin Novoselov tại Đại học Manchester ở Anh, giúp họ giành được Giải Nobel Vật lý năm 2010.

Trong những thập kỷ sau đó, graphene đã trở thành một vật liệu nano hữu ích với độ bền kéo, độ trong suốt và độ dẫn điện cực cao, phục vụ cho nhiều ứng dụng đa dạng trong điện tử, cảm biến và các công nghệ tiên tiến khác.

llerene là một đồng phân cacbon khác đã được biết đến từ lâu. Phân tử của nó bao gồm các nguyên tử cacbon được kết nối bằng liên kết đơn và liên kết đôi trong một lưới có thể khép kín hoặc khép một phần. Lưới được hợp nhất thành một vòng gồm năm, sáu hoặc bảy nguyên tử.

Phân tử fullerene có thể là hình cầu rỗng, hình elip, hình ống hoặc nhiều hình dạng và kích thước khác. Graphene có thể được coi là thành viên cực đoan của họ fullerene, mặc dù nó được coi là thành viên của lớp vật liệu riêng của nó.

Cấu trúc nano lai

Ngoài việc đầu tư nghiên cứu sâu rộng vào việc tìm hiểu và mô tả từng cấu trúc nano carbon riêng lẻ, các nhà khoa học cũng đang khám phá các đặc tính của cấu trúc nano lai kết hợp hai hoặc nhiều thành phần có cấu trúc nano thành một vật liệu.

Ví dụ,bọtcó các đặc tính có thể điều chỉnh khiến chúng phù hợp với các ứng dụng thực tế như thiết kế cấu trúc dạng bánh sandwich, thiết kế tương thích sinh học và thiết kế cấu trúc có độ bền cao, trọng lượng nhẹ.

Các bọt nano gốc carbon cũng đã được sử dụng trong y học để kiểm tra tổn thương xương và làm cơ sở để thay thế mô xương.

Cấu trúc tổ ong gốc carbon được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) và xử lý dung dịch. Phương pháp thiêu kết plasma tia lửa (SPS) cũng đã được triển khai để sử dụng graphene cho các ứng dụng sinh học và y tế.

Do đó, các nhà khoa học đã tìm kiếm cách để làm cho cấu trúc bọt carbon ba chiều ổn định. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng cần phải hình thành các kết nối ổn định giữa các loại cấu trúc khác nhau (ống nano carbon, fullerene và graphene) để làm cho vật liệu này đủ ổn định cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Nghiên cứu mới về cấu trúc nano lai

Nghiên cứu mới của các kỹ sư cơ khí tại Đại học Kỹ thuật Istanbul ở Thổ Nhĩ Kỳ giới thiệu một loại cấu trúc nano lai mới được hình thành bằng liên kết hóa học.

Cấu trúc CNT graphene xốp được tạo ra bằng cách sắp xếp graphene xung quanh CNT trong nanoribbon. Các sắp xếp hình học khác nhau của các lớp nanoribbon graphene xung quanh các ống nano carbon (hình vuông, hình lục giác và hình thoi) dẫn đến các tính chất vật lý khác nhau được quan sát thấy trong vật liệu, cho thấy sự sắp xếp lại hình học này có thể được sử dụng để tinh chỉnh các cấu trúc mới.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các cấu trúc được chèn fullerene thể hiện độ ổn định và độ bền nén đáng kể mà không làm giảm độ bền kéo. Sự sắp xếp hình học của các cấu trúc nano carbon cũng có tác động đáng kể đến các đặc tính nhiệt của chúng.

Các nhà nghiên cứu cho biết những nanocấu trúc lai mới này mang lại những lợi thế quan trọng, đặc biệt là đối với ngành hàng không vũ trụ. Những nanocấu trúc lai này cũng có thể được sử dụng để lưu trữ hydro và nanođiện tử.