ท่อนาโนคาร์บอนคืออะไรและใช้ทำอะไร?

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นสิ่งที่น่าเหลือเชื่อ สามารถแข็งแรงกว่าเหล็กในขณะที่บางกว่าเส้นผมของมนุษย์

นอกจากนี้ยังมีความเสถียรสูงน้ำหนักเบาและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าความร้อนและเชิงกลที่น่าทึ่ง ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงมีศักยภาพในการพัฒนาวัสดุแห่งอนาคตที่น่าสนใจมากมาย

นอกจากนี้ยังอาจถือเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างวัสดุและโครงสร้างแห่งอนาคตเช่นลิฟต์อวกาศ

ที่นี่เราสำรวจว่าพวกเขาคืออะไรทำอย่างไรและแอปพลิเคชันใดที่พวกเขามักจะมี นี่ไม่ได้หมายถึงคำแนะนำที่ละเอียดถี่ถ้วนและมีไว้เพื่อใช้เป็นภาพรวมโดยย่อเท่านั้น

ที่เกี่ยวข้อง: นาโนคาร์บอนเหล่านี้สามารถเพิ่มพลังให้กับแก็ดเจ็ตผ่านเสื้อผ้า

ท่อนาโนคาร์บอนคืออะไรและมีคุณสมบัติอย่างไร?

ท่อนาโนคาร์บอน (CNT สำหรับระยะสั้น) ตามชื่อคือโครงสร้างทรงกระบอกนาทีที่ทำจากคาร์บอน แต่ไม่ใช่แค่คาร์บอนเท่านั้น CNT ประกอบด้วยแผ่นรีดขึ้นของโมเลกุลคาร์บอนชั้นเดียวที่เรียกว่ากราฟีน

พวกเขามักจะมาในสองรูปแบบหลัก (เครดิตจาก nanowerk.com):

1. ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดียว (SWCNTs) - มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 นาโนเมตร.

2. ท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWCNTs) - ประกอบด้วยท่อนาโนที่เชื่อมโยงกันหลายศูนย์กลางและมีแนวโน้มที่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่สามารถเข้าถึงได้เกินกว่า 100 นาโนเมตร.

ไม่ว่าในกรณีใด CNT อาจมีความยาวผันแปรได้ระหว่างหลายไมโครเมตรถึงเซนติเมตร

เนื่องจากท่อสร้างขึ้นจากกราฟีนโดยเฉพาะจึงมีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมาย ตัวอย่างเช่น CNTs ถูกผูกมัดด้วยพันธะ sp2 ซึ่งมีความแข็งแรงมากในระดับโมเลกุล

ท่อนาโนคาร์บอนยังมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันผ่านกองกำลังของแวนเดอร์วาลส์ ทำให้มีความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา นอกจากนี้ยังมีแนวโน้มที่จะเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้สูง

"ผนัง CNT ส่วนบุคคลอาจเป็นโลหะหรือสารกึ่งตัวนำขึ้นอยู่กับการวางแนวของโครงตาข่ายที่เกี่ยวกับแกนท่อซึ่งเรียกว่า chirality"

ท่อนาโนคาร์บอนยังมีคุณสมบัติทางความร้อนและเชิงกลที่น่าทึ่งอื่น ๆ ซึ่งทำให้น่าสนใจสำหรับการพัฒนาวัสดุใหม่ ๆ

ตัวอย่างเช่น (ให้เครดิตกับ nanowerk.com):

• CNT สามารถรับแรงดึงเชิงกลได้ 400 ครั้ง ของเหล็กธรรมดา

• พวกมันมีน้ำหนักเบามากเนื่องจากความหนาแน่นเป็นหนึ่งในหกของเหล็ก

• การนำความร้อนของ CNTs ดีกว่าเพชร

• ท่อนาโนคาร์บอนมีอัตราส่วนกว้างยาวมากกว่า 1000. กล่าวอีกนัยหนึ่งเกี่ยวกับความยาวของพวกเขาพวกมันบางมาก

• "พื้นที่ผิวส่วนปลายของพวกมันอยู่ใกล้ขีด จำกัด ทางทฤษฎี (ยิ่งพื้นที่ผิวส่วนปลายมีขนาดเล็กสนามไฟฟ้าก็ยิ่งมีความเข้มข้นมากขึ้นและปัจจัยการเพิ่มประสิทธิภาพของสนามก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น)

• เช่นเดียวกับกราไฟต์มีความเสถียรทางเคมีสูงและทนต่อผลกระทบทางเคมีได้แทบทุกชนิดเว้นแต่จะสัมผัสกับอุณหภูมิและออกซิเจนสูงในเวลาเดียวกันซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีมาก

• ภายในกลวงของพวกเขาสามารถเต็มไปด้วยวัสดุนาโนต่างๆแยกและป้องกันพวกมันจากสภาพแวดล้อมโดยรอบซึ่งเป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้านนาโนด้านการแพทย์เช่นการส่งยา "

ท่อนาโนคาร์บอนทำอะไร?

ดังที่เราได้เห็นไปแล้วท่อนาโนคาร์บอนมีคุณสมบัติที่ผิดปกติบางอย่าง ด้วยเหตุนี้ CNT จึงมีแอพพลิเคชั่นที่น่าสนใจและหลากหลาย

ในความเป็นจริงเมื่อปี 2013 ตามที่ Wikipedia ของ Science Direct การผลิตท่อนาโนคาร์บอนเกินหลายพันตันต่อปี ท่อนาโนเหล่านี้มีการใช้งานมากมายรวมถึงใช้ใน:

• โซลูชันการจัดเก็บพลังงาน
• การสร้างแบบจำลองอุปกรณ์
• โครงสร้างคอมโพสิต
• ชิ้นส่วนยานยนต์รวมถึงที่อาจเกิดขึ้นในรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
• ลำเรือ
• สินค้ากีฬา
• เครื่องกรองน้ำ
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบฟิล์มบาง
• สารเคลือบ
• ตัวกระตุ้น
• การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า
• สิ่งทอ
• การใช้งานด้านชีวการแพทย์รวมถึงวิศวกรรมเนื้อเยื่อของกระดูกและกล้ามเนื้อการส่งสารเคมีไบโอเซนเซอร์และอื่น ๆ

นอกจากนี้ยังมีพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากมายที่ท่อนาโนคาร์บอนสามารถช่วยในด้านอื่น ๆ ที่น่าตื่นเต้น

ท่อนาโนคาร์บอนหลายผนังคืออะไร?

ดังที่เราได้เห็นไปแล้วท่อนาโนคาร์บอนหลายผนังเป็นท่อนาโนที่ทำจากท่อนาโนที่เชื่อมโยงกันหลายศูนย์กลาง พวกเขามักจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่สามารถเข้าถึงได้เกิน 100 นาโนเมตร.

สามารถเข้าถึงได้ในความยาวเกินเซนติเมตรและมีแนวโน้มที่จะมีอัตราส่วนภาพที่แตกต่างกันไป 10 และ 10 ล้าน.

"พวกมันสามารถแยกแยะได้จากท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังชั้นเดียวบนพื้นฐานของโครงสร้างและความแข็งแกร่งของตุ๊กตารัสเซียที่มีผนังหลายชั้นและสร้างเส้นใยนาโนคาร์บอนบนพื้นฐานของโครงสร้างผนังที่แตกต่างกันเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่เล็กลงและการตกแต่งภายในที่กลวง" Ákos Kukovecz และคณะ.

ท่อนาโนที่มีผนังหลายชั้นสามารถบรรจุระหว่าง 6 และ 25 หรือผนังศูนย์กลางมากขึ้น

MWCNT มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ในงานเชิงพาณิชย์จำนวนมาก ซึ่งรวมถึง (เครดิตไปที่ azonona.com):

• ไฟฟ้า: MWNT เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้สูงเมื่อรวมเข้ากับโครงสร้างคอมโพสิตอย่างเหมาะสม ควรสังเกตว่าผนังด้านนอกเพียงอย่างเดียวกำลังดำเนินการผนังด้านในไม่ได้เป็นเครื่องมือในการนำไฟฟ้า

• สัณฐานวิทยา: MWNT มีอัตราส่วนกว้างยาวโดยปกติแล้วความยาวจะมากกว่า 100 ครั้ง เส้นผ่านศูนย์กลางและในบางกรณีสูงกว่ามาก ประสิทธิภาพและการใช้งานไม่ได้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนภาพเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับระดับของการพันกันและความตรงของท่อซึ่งจะเป็นหน้าที่ของทั้งระดับและขนาดของข้อบกพร่องในท่อ

• กายภาพ: MWNT ที่ปราศจากข้อบกพร่องแต่ละตัวมีความต้านทานแรงดึงที่ดีเยี่ยมและเมื่อรวมเข้ากับคอมโพสิตเช่นเทอร์โมพลาสติกหรือสารประกอบเทอร์โมเซ็ตสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้อย่างมาก

• ความร้อน: MWNT มีเสถียรภาพทางความร้อนมากกว่า 600 องศาเซลเซียสขึ้นอยู่กับระดับของข้อบกพร่องและในระดับหนึ่งของความบริสุทธิ์เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ตกค้างในผลิตภัณฑ์ยังสามารถกระตุ้นการสลายตัวได้

• สารเคมี: MWNTs เป็นการจัดสรร sp² คาร์บอนลูกผสมคล้ายกับกราไฟต์และฟูลเลอรีนและมีเสถียรภาพทางเคมีสูง อย่างไรก็ตามเราสามารถใช้งานท่อนาโนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการกระจายตัวของวัสดุผสม

ท่อนาโนคาร์บอนเกิดขึ้นได้อย่างไร?

จนถึงปัจจุบันมีสามวิธีหลักในการผลิตท่อนาโนคาร์บอน

เหล่านี้คือ:

1. อาร์คปล่อย

ภายในกระบวนการนี้กราไฟท์จะถูกเผาไหม้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ CNTs ก่อตัวในเฟสก๊าซซึ่งต่อมาแยกออก

กระบวนการนี้ยังมีแนวโน้มที่จะใช้โลหะเช่นเหล็กโคบอลต์หรือนิกเกิลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

2. เลเซอร์ระเหยของกราไฟท์

กราไฟท์จะถูกเผาไหม้เช่นเดียวกับการปล่อยอาร์กด้านบนยกเว้นครั้งนี้ด้วยการใช้เลเซอร์ รูปแบบของ CNT มีลักษณะคล้ายกันและแยกออกในภายหลัง

เทคนิคนี้ยังใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเพื่ออำนวยความสะดวกในกระบวนการ

3. ไฟฉายพลาสม่า

เช่นเดียวกับสองวิธีแรกข้างต้นกระบวนการสร้างพลาสม่าไฟฉายใช้ก๊าซที่มีคาร์บอนแทนการใช้ไอระเหยของกราไฟท์เพื่อสร้างท่อนาโนคาร์บอน

4. การสะสมไอสารเคมี (CVD)

CVD เป็นกระบวนการที่ถือเป็นสัญญาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสำหรับการผลิต CNT ช่วยให้กระบวนการผลิตเชิงปริมาณมากขึ้นและสามารถควบคุมได้มากขึ้น

นอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่า

ในระหว่าง CVD พื้นผิวจะถูกเตรียมด้วยชั้นของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะโดยทั่วไปคือนิกเกิลโคบอลต์เหล็กหรือส่วนผสม

"ท่อนาโนเติบโตที่บริเวณของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะก๊าซที่มีคาร์บอนแตกออกจากกันที่พื้นผิวของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาและคาร์บอนจะถูกขนส่งไปที่ขอบของอนุภาคซึ่งเป็นที่ที่สร้างท่อนาโน" ปริมาตรที่แก้ไข เรื่องการทำงานทางเคมีของวัสดุนาโนคาร์บอน

กระบวนการนี้สามารถใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือพลาสม่าได้อย่างหมดจด

5. อิเล็กโทรลิซิสเหลว

เทคนิคนี้ถูกค้นพบในปี 2558 โดยมหาวิทยาลัยจอร์จวอชิงตันเพื่อผลิต MWCNTs โดยการอิเล็กโทรลิซิสของคาร์บอเนตหลอมเหลว กระบวนการพื้นฐานคล้ายกับ CVD