Nieuwe koolstofnanobuisstructuren met hybride materialen die hun opmerkelijke eigenschappen modificeren.

Koolstofhoudende nanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes (CNT's), fullerenen en grafeen zijn interessant vanwege hun unieke fysische eigenschappen. Een nieuwe studie onderzoekt het potentieel van hybride nanostructuren en introduceert een nieuwe poreuze grafeen-CNT-hybride structuur met opmerkelijke thermische en mechanische eigenschappen.

Deze studie laat zien hoe de belangrijke eigenschappen van nieuwe grafeen-CNT-heterostructuren kunnen worden gewijzigd door de intrinsieke geometrische opstelling van CNT en grafeen, evenals diverse vulstoffen, enigszins aan te passen.

De mogelijkheid om de thermische geleidbaarheid en mechanische sterkte in hybride structuren van grafeen en koolstofnanobuisjes nauwkeurig te regelen, maakt het een potentieel geschikte kandidaat voor diverse toepassingen, met name in de geavanceerde lucht- en ruimtevaartindustrie waar gewicht en sterkte cruciaal zijn.

Koolstofnanostructuren: koolstofnanobuisjes, grafeen, fullerenen

Koolstofnanostructuren en mengsels van meerdere koolstofnanostructuren worden de laatste tijd onderzocht als potentiële kandidaten voor tal van toepassingen op het gebied van sensoren, fotovoltaïsche cellen, antibacteriële werking, energieopslag, brandstofcellen en milieuverbetering.

De meest prominente koolstofgebaseerde nanostructuren die bestudeerd zijn, blijken koolstofnanobuisjes (CNT's), grafeen en fullerenen te zijn. Door hun extreem kleine formaat vertonen deze structuren unieke thermische, mechanische, elektronische en biologische eigenschappen.

Structuren die in het subnanometerbereik worden gemeten, werken volgens de speciale wetten van de kwantumfysica, waardoor ze gebruikt kunnen worden om niet-intuïtieve verschijnselen zoals kwantumtunneling, kwantumsuperpositie en kwantumverstrengeling te benutten.

Koolstofnanobuisjes zijn buisjes gemaakt van koolstof met een diameter van slechts enkele nanometers. Koolstofnanobuisjes vertonen een opmerkelijke elektrische geleidbaarheid en sommige zijn halfgeleidermaterialen.

Door hun nanostructuur en de sterkte van de covalente bindingen tussen de koolstofatomen hebben koolstofnanobuisjes ook een hoge treksterkte en thermische geleidbaarheid.

Koolstofnanobuisjes zijn potentieel waardevolle materialen voor elektronica, optica en composieten, en ze zouden koolstofvezels in de komende jaren kunnen vervangen. Ook nanotechnologie en materiaalkunde maken gebruik van koolstofnanobuisjes in hun onderzoek.

Grafeen is een koolstofisomeer in de vorm van een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionale roosterstructuur bestaande uit zeshoeken. In 2004 werd grafeen voor het eerst geïsoleerd in een reeks baanbrekende experimenten door de wetenschappers Andrew Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk, waarvoor zij in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen.

In de decennia die volgden, is grafeen uitgegroeid tot een nuttig nanomateriaal met een extreem hoge treksterkte, transparantie en elektrische geleidbaarheid voor een breed en divers scala aan toepassingen in elektronica, sensoren en andere geavanceerde technologieën.

Ilereen is een ander koolstofisomeer dat al langer bekend is. Het molecuul bestaat uit koolstofatomen die met elkaar verbonden zijn door enkelvoudige en dubbele bindingen in een netwerk dat volledig gesloten of gedeeltelijk gesloten kan zijn. Dit netwerk is verbonden met een ring van vijf, zes of zeven atomen.

Fullereenmoleculen kunnen holle bollen, ellipsoïden, buisvormige structuren of vele andere vormen en afmetingen hebben. Grafeen kan worden beschouwd als een extreem lid van de fullereenfamilie, hoewel het wordt gezien als een lid van een eigen materiaalklasse.

Hybride nanostructuren

Naast het uitgebreide onderzoek dat is verricht om deze koolstofnanostructuren afzonderlijk te begrijpen en te karakteriseren, onderzoeken wetenschappers ook de eigenschappen van hybride nanostructuren die twee of meer nanogestructureerde elementen combineren tot één materiaal.

BijvoorbeeldschuimenZe hebben aanpasbare eigenschappen waardoor ze geschikt zijn voor praktische toepassingen, zoals het ontwerpen van sandwichconstructies, biocompatibele ontwerpen en het ontwerpen van zeer sterke, lichtgewicht constructies.

Koolstofhoudende nanofoams worden ook in de geneeskunde gebruikt om botbeschadigingen te onderzoeken en als basis voor het vervangen van botweefsel.

Koolstofhoudende honingraatstructuren worden geproduceerd door middel van chemische dampafzetting (CVD) en oplossingsbehandeling. Ook vonkplasmasinteren (SPS) is toegepast om grafeen te gebruiken voor biologische en medische toepassingen.

Wetenschappers zijn daarom op zoek naar manieren om driedimensionale koolstofschuimstructuren stabiel te maken. Onderzoek heeft aangetoond dat er stabiele verbindingen moeten worden gevormd tussen verschillende soorten structuren (koolstofnanobuisjes, fullerenen en grafeen) om dit materiaal stabiel genoeg te maken voor een breed scala aan toepassingen.

Nieuw onderzoek naar hybride nanostructuren

Nieuw onderzoek van werktuigbouwkundigen aan de Technische Universiteit van Istanbul in Turkije introduceert een nieuw type hybride nanostructuur, gevormd door chemische bindingen.

Poreuze grafeen-CNT-structuren worden gemaakt door grafeen rond CNT's te ordenen in nanolinten. De verschillende geometrische arrangementen van de grafeen-nanolintlagen rond de koolstofnanobuisjes (vierkante, zeshoekige en ruitvormige patronen) leiden tot verschillende fysische eigenschappen van het materiaal, wat suggereert dat deze geometrische herschikking gebruikt kan worden om de nieuwe structuren nauwkeurig af te stemmen.

De onderzoekers ontdekten bijvoorbeeld dat structuren met ingevoegde fullerenen een aanzienlijke druksterkte en stabiliteit vertoonden zonder dat de treksterkte afnam. De geometrische ordening van de koolstofnanostructuren had ook een significant effect op hun thermische eigenschappen.

De onderzoekers stellen dat deze nieuwe hybride nanostructuren belangrijke voordelen bieden, met name voor de lucht- en ruimtevaartindustrie. Nanostructuren met deze hybride eigenschappen zouden ook gebruikt kunnen worden voor waterstofopslag en nano-elektronica.