Koolstofnanobuizen: Pioniers in ultra-sterke, ultra-lichte materialen

Wat is 100 keer sterker dan staal, maar lichter dan aluminium? Koolstofnanobuizen zijn onder de sterkste materialen ooit ontdekt, maar ingenieurs zijn pas net aan het begin om hun volledige potentieel te ontgrendelen.

Koolstofnanobuizen zijn een allotroop van koolstof, wat betekent dat ze één van de verschillende mogelijke rangschikkingen van atomen zijn die koolstof kan aannemen. In de natuur wordt zuiver koolstof ofwel in de vorm van grafeit gevonden, een zachte vlokkige vaststof, of diamant, wat transparant is en het hardste natuurlijk voorkomende materiaal.

Koolstofnanobuizen zijn nauwer verwant aan grafeit dan aan diamant. Hoewel grafeit heel zacht is, is het opgebouwd uit lagen koolstofatomen gerangschikt in vellen één atoom dik. Deze individuele vellen worden grafeen genoemd, en koolstofnanobuizen zijn wat u zou krijgen als u een grafeenvel in de vorm van een buis zou rollen.

Grafene is een opmerkelijk materiaal op zich. Net als koolstofnanobuizen, is het ongelooflijk sterk. De Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 werd toegekend aan het team dat als eerste een vel grafeen isoleerde, en grafeen is zo sterk dat, in theorie, een vel grafeen van ongeveer één milligram een kat zou kunnen dragen.

Deze hypothetische "kathangmat" zou slechts één atoom dik zijn en volledig onzichtbaar voor het menselijk oog. Koolstofnanobuizen worden gevormd uit één of meer lagen grafeen gerangschikt in een buis en zijn ook extreem sterk.

Op dit moment worden koolstofnanobuizen primair gebruikt om de eigenschappen van polymere composieten te verbeteren. Koolstofnanobuizen kunnen een reeks gunstige eigenschappen bieden:

• Zeer hoge sterkte
• Hoge sterkte-gewichtsverhouding
• Hoge elektrische geleidbaarheid
• Hoge thermische geleidbaarheid

Koolstofnanobuizen eigenschappen

Vergeleken met andere versterkingsmaterialen, zijn koolstofnanubuizen aanzienlijk sterker dan andere vezels die in vezel-versterkte polymere composieten worden gebruikt. Recent onderzoek is ook gericht op de ontwikkeling van functioneel gegraadeerde polymeren, waar koolstofnanobuizen strategisch verdeeld worden binnen een polymere structuur om het aangepaste mechanische eigenschappen te geven.

Koolstofnanobuizen bieden ook goede elektrische en thermische geleidbaarheid, wat ze nuttig maakt in elektronica verpakkings toepassingen of als additieven aan polymeren en lijmen om ze geleidend te maken. Traditioneel zijn metalen het primair materiaal gebruikt als elektrische en thermische geleiders in elektronica omdat polymeren en keramiek slechte elektrische en thermische geleidbaarheid boden in vergelijking.

Echter, door koolstofnanobuizen toe te voegen, kunnen diverse polymeren geleidend gemaakt worden, wat nieuwe mogelijkheden opent voor snellere, minder dure elektronica productie.

Koolstofnanobuis-versterkte composieten

Als grafeen en koolstofnanobuizen zo ongelooflijk sterk zijn, waarom gebruiken we ze dan niet in alles? Een onderdeel met sterkte vergelijkbaar met grafeen of koolstofnanobuizen zou praktisch onverwoestbaar zijn vergeleken met elk ander materiaal.

Om de uitdaging te begrijpen om voordeel te halen uit de ongelooflijke sterkte van koolstofnanobuizen en grafeen, kunnen we kijken naar de reden waarom grafeit zacht is. Individuele vellen grafeen zijn extreem sterk, maar grafeit is zacht omdat de bindingen tussen de vellen grafeen zwak zijn.

Individuele koolstofnanobuizen zijn een van de sterkste materialen ooit ontdekt, maar ze moeten met elkaar verbonden worden om hun sterkte nuttig te maken.

Dit is waarom koolstofnanobuizen vaak als additief in andere materialen worden gebruikt, meestal polymeren, om hun eigenschappen te verbeteren. De koolstofnanobuizen voegen sterkte toe en het "matrix" materiaal waarin ze verdeeld zijn houdt alles bij elkaar. Maar dit laat ons met de vraag: Waarom zijn die kleine koolstofnanobuizen zo veel sterker dan bulk materialen? Ze zijn sterk omdat ze klein zijn.

Ultra-sterke nanomaterialen

De sleutel tot koolstofnanobuizen's sterkte ligt in het feit dat ze dicht bij de theoretische sterkte van koolstof komen door hun kleine grootte. De theoretische sterkte van een materiaal is de spanning die vereist zou zijn om een perfect kristal vrij van defecten te breken.

Bijvoorbeeld, de theoretische sterkte van zuiver ijzer is 31,8 GPa, terwijl bulk stalen sterktes hebben in het bereik 270-740 MPa, minder dan 2,5% van de theoretische sterkte. Dit is omdat kleine defecten bekend als dislocaties de bulk stalen vatbaar maken voor plastische deformatie en falen bij lagere spanningen vergeleken met een hypothetisch defectvrij kristal.

Bulk materialen komen nooit dicht bij hun theoretische sterktes omdat, zelfs met extreem zorgvuldige verwerking, grotere schaal materialen onvermijdelijk eindigen met microstructurele defecten die hun sterkte verminderen. Dit is ook de reden dat, helaas, mensen waarschijnlijk nooit een groot en perfect vel grafeen zullen fabriceren zoals de één-atoom-dikke grafeen kathangmat beschreven in de Nobelprijsuitreiking 2010.

Zo een groot vel zou zeker defecten bevatten die de sterkte zouden verminderen, en de kat zou door de hangmat scheuren. Dus, de verwerking van de meeste bulk materialen is gericht op het beperken van het effect van hun microstructurele defecten in plaats van defecten volledig te elimineren. Het creëren van grote hoeveelheden volledig defectvrij materiaal is met de huidige technologie praktisch onmogelijk.

Het synthetiseren van een defectvrij materiaal is veel meer haalbaar als het materiaalvolume erg, erg klein is. Eenvoudig gezegd, een heel kleine hoeveelheid materiaal is statistisch minder waarschijnlijk een defect te bevatten dan een grote, en kleine volumes materiaal zijn makkelijker te creëren door chemische groeiprocessen die weinig defecten introduceren.

Dus, het is mogelijk om grote hoeveelheden defectvrije nanobuizen te creëren, maar niet mogelijk om een groot monolithisch stuk defectvrij materiaal te creëren. Koolstofnanobuizen zijn ultra-sterk omdat ze ultra-klein zijn wat het mogelijk maakt voor ze defectvrij te zijn.

Het is ook de moeite waard om in gedachten te houden dat de sterkte van materialen gemeten wordt door de kracht die nodig is om een monster te breken te delen door dat monster's dwarsdoorsnede-oppervlakte, resulterend in eenheden zoals de megapascal (MPa) wat equivalent is aan één newton per vierkante millimeter (N/mm2). Dus, sterkte metingen compenseren automatisch voor de hoeveelheid materiaal in een monster, en consequent, kunnen we de sterkte van een 1 cm diameter staalstaaf vergelijken met die van een 1 µm diameter koolstofnanobuis.

De kleine nanobuis is veel waarschijnlijker volledig defectvrij, en daarom extreem sterk. Maar om voldoende nanobuizen te bundelen om een onderdeel van gelijke grootte als de staalstaaf te creëren, moeten we een vezel-versterkt composiet creëren.

Hun kleine grootte, en resulterend gebrek aan defecten zijn wat koolstofnanobuizen een ultra-sterk nanomateriaal maken, met individuele multi-wall koolstofnanobuizen die gerapporteerde sterktes van 11 - 63 GPa hebben, wat dicht bij koolstof's theoretische sterkte van 156,0 GPa ligt. Andere materialen kunnen ook in ultra-kleine, defectvrije "whiskers" gemaakt worden, inclusief ijzer, wat een gerapporteerde sterkte van 13 GPa heeft in nano-whisker vorm, een veel dichter bij ijzer's theoretische sterkte dan bulk stalen.

Veel andere materialen zijn gesynthetiseerd in nanobuis, nanodraad, of whisker vorm onder laboratoriumcondities, maar koolstofnanobuizen zijn een van de weinige ultra-sterke nanomaterialen die in commerciële hoeveelheden beschikbaar zijn van leveranciers zoals Goodfellow.

Conclusies

Koolstofnanobuizen zijn een van de sterkste materialen ooit ontdekt omdat hun extreem kleine grootte het mogelijk maakt voor ze defectvrij te zijn en dicht bij de theoretische sterkte van koolstof te komen. Dit is waarom koolstofnanobuizen het meest vaak gebruikt worden om de eigenschappen van andere materialen te verbeteren, zoals wanneer ze aan polymere matrices worden toegevoegd om hun sterkte, elektrische geleidbaarheid, en thermische geleidbaarheid te verbeteren.

De sterkte van koolstofnanobuizen is orde van grootte hoger dan andere vezels die gewoonlijk in vezel-versterkte composieten worden gebruikt. Koolstofnanobuizen's goede elektrische en thermische geleidbaarheid maakt het ook mogelijk om geleidende polymeren te creëren voor elektronische toepassingen waar metalen traditioneel worden gebruikt.