Նոր ածխածնային նանոխողովակային կառուցվածքներ՝ հիբրիդային նյութերով, որոնք փոփոխում են դրանց ուշագրավ հատկությունները

Ածխածնային հիմքով նանոմատերիալները, ինչպիսիք են ածխածնային նանոխողովակները (CNT), ֆուլերենները և գրաֆենը, հետաքրքրություն են ներկայացնում իրենց եզակի ֆիզիկական հատկությունների շնորհիվ: Նոր ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում է հիբրիդային նանոկառուցվածքների ներուժը և ներկայացնում է նոր ծակոտկեն գրաֆենային CNT հիբրիդային կառուցվածք՝ նշանակալի ջերմային և մեխանիկական հատկություններով:

Այս ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, թե ինչպես կարելի է փոփոխել նոր գրաֆենային CNT հետերոկառուցվածքների նշանակալի հատկությունները՝ փոքր-ինչ փոխելով CNT-ի և գրաֆենի, ինչպես նաև տարբեր լցոնիչների ներքին երկրաչափական դասավորությունը։

Գրաֆենային CNT հիբրիդային կառուցվածքներում ջերմահաղորդականությունը և մեխանիկական ամրությունը ճշգրիտ կառավարելու ունակությունը այն դարձնում է պոտենցիալ հարմար թեկնածու տարբեր կիրառությունների համար, մասնավորապես՝ առաջադեմ ավիատիեզերական արտադրության մեջ, որտեղ քաշը և ամրությունը կարևոր են։

Ածխածնային նանոկառուցվածքներ՝ ածխածնային նանոխողովակներ, գրաֆեն, ֆուլերեններ

Վերջերս ածխածնային նանոկառուցվածքները և բազմաթիվ ածխածնային նանոկառուցվածքների խառնուրդները ուսումնասիրվել են որպես բազմաթիվ զգայուն, ֆոտովոլտային, հակաբակտերիալ, էներգիայի կուտակման, վառելիքային բջիջների և շրջակա միջավայրի բարելավման կիրառությունների պոտենցիալ թեկնածուներ։

Առավել աչքի ընկնող ուսումնասիրված ածխածնային նանոկառուցվածքները, կարծես, ածխածնային նանոկառուցվածքներն են՝ ածխածնային նանոխողակները, գրաֆենը և ֆուլերենները: Իրենց չափազանց փոքր չափերի շնորհիվ այս կառուցվածքները ցուցաբերում են եզակի ջերմային, մեխանիկական, էլեկտրոնային և կենսաբանական հատկություններ:

Ենթանանոմետրական տիրույթում չափված կառուցվածքները գործում են քվանտային ֆիզիկայի հատուկ օրենքներին համապատասխան, ուստի դրանք կարող են օգտագործվել ոչ ինտուիտիվ երևույթներ, ինչպիսիք են քվանտային թունելավորումը, քվանտային սուպերպոզիցիան և քվանտային խճճվածությունը, ուսումնասիրելու համար։

Ածխածնային նանոխողովակները ածխածնից պատրաստված խողովակներ են և ունեն ընդամենը մի քանի նանոմետր տրամագիծ։ Ածխածնային նանոխողովակները ցուցաբերում են ուշագրավ էլեկտրահաղորդականություն, և որոշները կիսահաղորդչային նյութեր են։

Իրենց նանոկառուցվածքի և ածխածնի ատոմների միջև ձևավորված կովալենտային կապերի ամրության շնորհիվ, ածխածնային նանոխողովակները ունեն նաև բարձր ձգման ամրություն և ջերմահաղորդականություն։

Ածխածնային նանոխողովակները պոտենցիալ արժեքավոր նյութեր են էլեկտրոնիկայի, օպտիկայի և կոմպոզիտների համար, և դրանք կարող են փոխարինել ածխածնային մանրաթելերին առաջիկա մի քանի տարիների ընթացքում: Նանոտեխնոլոգիաները և նյութագիտությունը նույնպես օգտագործում են ածխածնային նանոխողովակներ իրենց հետազոտություններում:

Գրաֆենը ածխածնի իզոմեր է, որը դասավորված է վեցանկյուններից կազմված երկչափ ցանցային կառուցվածքով, որը կազմված է ածխածնի ատոմների մեկ շերտից։ 2004 թվականին Մեծ Բրիտանիայի Մանչեսթերի համալսարանում գիտնականներ Էնդրյու Գեյմի և Կոնստանտին Նովոսելովի կողմից իրականացված մի շարք առաջատար փորձերի արդյունքում գրաֆենի առաջին անջատումը տեղի ունեցավ, ինչը նրանց 2010 թվականին բերեց ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ։

Այդ ժամանակվանից ի վեր տասնամյակների ընթացքում գրաֆենը դարձել է օգտակար նանոմատերիալ՝ չափազանց բարձր ձգման ամրությամբ, թափանցիկությամբ և էլեկտրահաղորդականությամբ, որն օգտագործվում է էլեկտրոնիկայի, զգայունակության և այլ առաջադեմ տեխնոլոգիաների լայն և բազմազան կիրառությունների համար։

Լերենը մեկ այլ ածխածնի իզոմեր է, որը հայտնի է որոշ ժամանակ։ Դրա մոլեկուլը բաղկացած է ածխածնի ատոմներից, որոնք միացված են միակողմանի և կրկնակի կապերով՝ ցանցում, որը կարող է լինել փակ կամ մասնակի փակ։ Ցանցը միացված է հինգ, վեց կամ յոթ ատոմներից բաղկացած օղակին։

Ֆուլերենային մոլեկուլները կարող են լինել խոռոչավոր գնդիկներ, էլիպսոիդային, խողովակաձև կամ շատ այլ ձևերի և չափերի։ Գրաֆենը կարելի է համարել ֆուլերենային ընտանիքի ծայրահեղ անդամ, չնայած այն համարվում է իր սեփական նյութական դասի անդամ։

Հիբրիդային նանոկառուցվածքներ

Այս ածխածնային նանոկառուցվածքները առանձին-առանձին հասկանալու և բնութագրելու ուղղությամբ կատարված լայնածավալ հետազոտություններից բացի, գիտնականները նաև ուսումնասիրում են հիբրիդային նանոկառուցվածքների հատկությունները, որոնք երկու կամ ավելի նանոկառուցվածքային տարրեր են միավորում մեկ նյութի մեջ։

Օրինակ,փրփուրներունեն կարգավորելի հատկություններ, որոնք դրանք հարմար են դարձնում գործնական կիրառությունների համար, ինչպիսիք են սենդվիչ կառուցվածքների նախագծումը, կենսահամատեղելի կառուցվածքները և բարձր ամրության, ցածր քաշի կառուցվածքների նախագծումը։

Ածխածնի վրա հիմնված նանոպրուրները նաև օգտագործվել են բժշկության մեջ՝ ոսկրային վնասվածքը ուսումնասիրելու և որպես ոսկրային հյուսվածքը փոխարինելու հիմք։

Ածխածնի վրա հիմնված մեղրամոմային կառուցվածքները ստացվում են քիմիական գոլորշու նստեցման (CVD) և լուծույթային մշակման միջոցով: Կայծային պլազմային սինտերացման (SPS) մեթոդները նույնպես կիրառվել են գրաֆենը կենսաբանական և բժշկական կիրառություններում օգտագործելու համար:

Հետևաբար, գիտնականները փնտրում են եռաչափ ածխածնային փրփուրային կառուցվածքները կայուն դարձնելու եղանակներ: Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ այս նյութը լայն կիրառությունների համար բավականաչափ կայուն դարձնելու համար անհրաժեշտ է կայուն կապեր ստեղծել տարբեր տեսակի կառուցվածքների (ածխածնային նանոխողովակներ, ֆուլերեններ և գրաֆեն) միջև:

Հիբրիդային նանոկառուցվածքների վերաբերյալ նոր հետազոտություններ

Ստամբուլի տեխնիկական համալսարանի մեխանիկական ինժեներների կողմից իրականացված նոր հետազոտությունը ներկայացնում է քիմիական կապերի միջոցով ձևավորվող հիբրիդային նանոկառուցվածքի նոր տեսակ։

Ծակոտկեն գրաֆենային ածխածնային նանոխողովակների շուրջ գրաֆենը նանոխողովակների մեջ կազմակերպելով՝ ստեղծվում են ծակոտկեն գրաֆենային նանոխողովակների շուրջը գրաֆենային ժապավեններ տեղադրելով։ Ածխածնային նանոխողովակների շուրջ գրաֆենային նանոխողովակների շերտերի տարբեր երկրաչափական դասավորությունները (քառակուսի, վեցանկյուն և ադամանդե նախշեր) հանգեցնում են նյութում տարբեր ֆիզիկական հատկությունների դիտարկմանը, ինչը ենթադրում է, որ այս երկրաչափական վերադասավորումը կարող է օգտագործվել նոր կառուցվածքները կատարելագործելու համար։

Հետազոտողները, օրինակ, պարզել են, որ ֆուլերեններով ներդրված կառուցվածքները ցուցաբերել են զգալի սեղմման կայունություն և ամրություն՝ առանց զոհաբերելու ձգման ամրությունը: Ածխածնային նանոկառուցվածքների երկրաչափական դասավորությունը նույնպես զգալի ազդեցություն է ունեցել դրանց ջերմային հատկությունների վրա:

Հետազոտողները նշում են, որ այս նոր հիբրիդային նանոկառուցվածքները կարևոր առավելություններ են առաջարկում, հատկապես ավիատիեզերական արդյունաբերության համար: Այս հիբրիդային կառուցվածքներով նանոկառուցվածքները կարող են օգտագործվել նաև ջրածնի պահեստավորման և նանոէլեկտրոնիկայի համար: