אוספים

מהן צינורות פחמן ולמה הם משמשים?

מהן צינורות פחמן ולמה הם משמשים?

צינורות פחמן הם דברים מדהימים. הם יכולים להיות חזקים יותר מפלדה בעוד שהם דקים יותר משיער אנושי.

הם גם יציבים מאוד, קלים ובעלי תכונות חשמליות, תרמיות ומכניות מדהימות. מסיבה זו, הם מחזיקים בפוטנציאל לפיתוח חומרים עתידיים רבים ומעניינים.

הם עשויים גם להחזיק את המפתח לבניית חומרים ומבני העתיד, כמו מעליות חלל.

כאן אנו בוחנים מה הם, כיצד הם נעשים ואילו יישומים הם נוטים לקבל. זה לא אמור להוות מדריך ממצה והוא נועד לשמש רק כסקירה מהירה.

קשורים: צינורות פחמן אלה יכולים להכניס גאדג'טים דרך בגדים

מהם צינורות פחמן ותכונותיהם?

צינורות פחמן (בקיצור CNT), כפי שהשם מרמז, הם מבנים גליליים זעירים העשויים מפחמן. אבל לא סתם פחמן, CNT מורכב מסדינים מגולגלים של שכבה אחת של מולקולות פחמן הנקראות גרפן.

הם נוטים לבוא בשתי צורות עיקריות (אשראי ל- nanowerk.com):

1. צינורות פחמן חד-דופן (SWCNT) - אלה נוטים להיות בקוטר של פחות מ 1 ננומטר.

2. צינורות פחמן מרובי-קיר (MWCNT) - אלה מורכבים מכמה צינורות ננו-קשורים זה בזה, ונוטים להיות בקטרים ​​שיכולים להגיע ליותר 100 ננומטר.

בשני המקרים, CNT יכולים להיות באורכים משתנים בין כמה מיקרומטר לסנטימטרים.

מכיוון שהצינורות בנויים באופן בלעדי מגרפן, הם חולקים רבים מהמאפיינים המעניינים שלו. למשל, CNT קשורים לקשרי sp2 - אלה חזקים ביותר ברמה המולקולרית.

גם לצינורות פחמן יש נטייה לחבול יחד באמצעות כוחות ואן דר וואלס. זה מספק להם חוזק גבוה ומשקל נמוך. הם גם נוטים להיות חומרים מוליכים חשמלית ומוליכים תרמית.

"קירות CNT בודדים יכולים להיות מתכתיים או מוליכים למחצה, תלוי בכיוון הסריג ביחס לציר הצינור, הנקרא כיראליות."

לצינורות פחמן יש גם תכונות תרמיות ומכניות מדהימות אחרות שהופכות אותם לאטרקטיביים לפיתוח חומרים חדשים.

לדוגמא (אשראי ל- nanowerk.com):

  • ל- CNT יכול להיות חוזק מתיחה מכני 400 פעמים זה של פלדה רגילה.

  • הם קלים מאוד מכיוון שצפיפותם היא שישית מזו של פלדה.

  • מוליכות תרמית של CNT טובה יותר מזו של יהלום.

  • לצינורות פחמן יש יחס גובה-רוחב גבוה מאוד מ- 1000. במילים אחרות, ביחס לאורכם, הם דקים במיוחד.

  • "שטח פני הקצה שלהם קרוב לגבול התיאורטי (ככל ששטח פני הקצה קטן יותר, השדה החשמלי מרוכז יותר וגורם שיפור השדה גדול יותר).

  • כמו גרפיט, הם יציבים כימית ביותר ועומדים כמעט בכל השפעה כימית אלא אם כן הם נחשפים בו זמנית לטמפרטורות גבוהות ולחמצן - תכונה ההופכת אותם לעמידים ביותר בפני קורוזיה.

  • את פנים החלול שלהם ניתן למלא חומרי ננו שונים, המפרידים ומגינים עליהם מהסביבה שמסביב - מאפיין שימושי ביותר ליישומי ננו-רפואה כמו משלוח תרופות. "

מה עושים צינורות פחמן?

כפי שכבר ראינו, לצינורות פחמן יש תכונות יוצאות דופן מאוד. מסיבה זו יש ל- CNT יישומים מעניינים ומגוונים רבים.

למעשה, נכון לשנת 2013, על פי ויקיפדיה באמצעות Science Direct, ייצור הננו-צינורות פחמן עלה על כמה אלפי טונות בשנה. לצינורות ננו אלה יש יישומים רבים, כולל שימוש ב:

  • פתרונות לאחסון אנרגיה
  • דוגמנות מכשירים
  • מבנים מרוכבים
  • חלקי רכב, כולל פוטנציאל במכוניות תאי דלק
  • קליפות סירה
  • מוצרי ספורט
  • מסנני מים
  • אלקטרוניקה דקה
  • ציפויים
  • מפעילים
  • מיגון אלקטרומגנטי
  • טקסטיל
  • יישומים ביו-רפואיים, כולל הנדסת רקמות של עצם ושריר, העברת כימיקלים, חיישני ביו ועוד

ישנם גם תחומים מבטיחים רבים בהם צינורות פחמן יכולים לעזור בתחומים מרגשים אחרים.

מהן צינורות פחמן מרובי-קיר?

כפי שכבר ראינו, צינורות פחמן מרובי-גלגלים הם צינורות הננו העשויים מכמה צינורות ננו-קשורים זה בזה. הם נוטים להיות בקטרים ​​שיכולים להגיע ליותר מ 100 ננומטר.

הם יכולים להגיע לאורך של יותר מסנטימטרים ולנטיות להיות ביחסי גובה-רוחב המשתנים בין 10 ו -10 מיליון.

"ניתן להבדיל בין צינורות פחמן חד-קירותיים על בסיס מבנה הבובות הרוסיות בעלות הקירות והנוקשות שלהם, ויוצרים ננו-סיבי פחמן על בסיס מבנה הקיר השונה שלהם, הקוטר החיצוני הקטן יותר ופנים חלולים", מציין. אקוס קוקוביץ ואח '.

צינורות ננו מרובי קירות יכולים להכיל בין 6 ו -25 או יותר קירות קונצנטריים.

ל- MWCNT יש כמה מאפיינים מצוינים שניתן לנצל במספר רב של יישומים מסחריים. אלה כוללים (אשראי ל- azonona.com):

  • חַשׁמַלִי: MWNTs הם מוליכים מאוד כאשר הם משולבים כראוי במבנה מרוכב. יש לציין כי הקיר החיצוני לבדו מוליך, הקירות הפנימיים אינם אינסטרומנטליים למוליכות.

  • מוֹרפוֹלוֹגִיָה: ל- MWNT יש יחס גובה-רוחב גבוה, עם אורכים בדרך כלל יותר מ- 100 פעמים הקוטר, ובמקרים מסוימים הרבה יותר גבוה. הביצועים והיישום שלהם מתבססים לא רק על יחס גובה-רוחב, אלא גם על מידת ההסתבכות וישר הצינורות, אשר בתורו הוא פונקציה של מידת ופגם של הפגמים בצינורות.

  • גוּפָנִי: נטולי פגמים, בודדים, MWNT הם בעלי חוזק מתיחה מעולה וכאשר הם משולבים בתרכובת מורכבת, כגון תרכובות תרמופלסטיות או תרמוסטות, יכולים להגדיל באופן משמעותי את חוזקו.

  • תֶרמִי: MWNTs יש יציבות תרמית יותר מ 600 מעלות צלזיוס, בהתבסס על רמת הפגמים ובמידה מסוימת על הטוהר, כזרז שיורי במוצר יכול גם לזרז פירוק.

  • כִּימִי: MWNTs הם אלוטרופ של sp2 פחמן הכלאה, בדומה לגרפיט ולפולרן, וככזה בעל יציבות כימית גבוהה. עם זאת, ניתן לתפקד את צינורות הננו כדי לשפר הן את חוזק והן את פיזורם של חומרים מרוכבים.

כיצד נוצרות צינורות פחמן?

עד כה ישנן שלוש שיטות עיקריות לייצור צינורות פחמן.

אלו הם:

1. פריקת קשת

בתוך תהליך זה, גרפיט נשרף אלקטרונית. CNTs נוצרים בשלב הגזי, שמופרד מאוחר יותר.

תהליך זה נוטה גם להשתמש במתכת כמו ברזל, קובלט או ניקל כזרז.

2. אבלציה בלייזר של גרפיט

בדומה לפריקת קשת לעיל, גרפיט נשרף, למעט הפעם באמצעות לייזר. צורת ה- CNT בצורה דומה ומופרדת מאוחר יותר.

טכניקה זו משתמשת גם בזרזי מתכת כדי להקל על התהליך.

3. לפיד פלזמה

בדומה לשתי השיטות הראשונות לעיל, תהליך ייצור לפיד פלזמה עושה שימוש בגז המכיל פחמן במקום אדי גרפיט ליצירת צינורות הננו-פחמן.

4. תצהיר אדים כימי (CVD)

CVD הוא תהליך המקיים את ההבטחה הגדולה ביותר לייצור CNT. זה מאפשר תהליך ייצור כמותי גדול בהרבה והוא נשלט הרבה יותר.

זה גם זול יותר.

במהלך CVD מכינים מצע עם שכבה של חלקיקי זרז מתכת, לרוב ניקל, קובלט, ברזל או שילוב.

"צינורות ננו צומחים באתרי זרז המתכת; הגז המכיל פחמן מתפרק על פני חלקיק הזרז, והפחמן מועבר לקצוות החלקיק, שם הוא יוצר את צינורות הננו", מציין כרך ערוך. על פונקציונליות כימית של חומרי ננו פחמניים.

תהליך זה יכול להיות קטליטי או נתמך בפלזמה בלבד.

5. אלקטרוליזה נוזלית

טכניקה זו התגלתה בשנת 2015 על ידי אוניברסיטת ג'ורג 'וושינגטון לייצור MWCNTs באמצעות אלקטרוליזה של קרבונטים מותכים. התהליך הבסיסי דומה לזה של CVD.


צפו בסרטון: Taxes: Crash Course Economics #31 (יָנוּאָר 2022).