Hoe koolstofnanobuisjes de sterkte van materialen herdefiniëren

Wat is 100 keer sterker dan staal en toch lichter dan aluminium? Koolstofnanobuisjes behoren tot de sterkste materialen die ooit zijn ontdekt, maar ingenieurs beginnen nog maar net hun volledige potentieel te ontsluiten.

Koolstof nanobuisjes zijn een allotroop van koolstof , wat betekent dat ze een van de vele mogelijke arrangementen van atomen zijn die koolstof kan opnemen . In de natuur wordt pure koolstof gevonden in de vorm van grafiet , een zachte, schilferige vaste stof, of diamant , dat transparant is en het hardste natuurlijk voorkomende materiaal.

Koolstofnanobuisjes zijn nauwer verwant aan grafiet dan aan diamant. Hoewel grafiet erg zacht is, is het opgebouwd uit lagen koolstofatomen die zijn gerangschikt in vellen van één atoom dik. Deze afzonderlijke vellen worden grafeen genoemd, en koolstofnanobuizen zijn wat je zou krijgen als je een grafeenvel in de vorm van een buis zou rollen .

Grafeen is op zich al een opmerkelijk materiaal. Net als koolstofnanobuisjes is het ongelooflijk sterk . De Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 werd toegekend aan het team dat voor het eerst een stuk grafeen isoleerde, en grafeen is zo sterk dat, in theorie, een stuk grafeen met een gewicht van ongeveer één milligram een ​​kat zou kunnen bevatten .

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

Op dit moment worden koolstofnanobuisjes voornamelijk gebruikt om de eigenschappen van polymeercomposieten te verbeteren . Koolstofnanobuisjes kunnen een reeks gunstige eigenschappen bieden:

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

Koolstof nanobuisjes eigenschappen

In vergelijking met andere versterkingsmaterialen zijn koolstofnanobuizen aanzienlijk sterker dan andere vezels gebruikt in vezelversterkte polymeercomposieten. Recent onderzoek is ook gericht geweest op de ontwikkeling van functioneel gesorteerde polymeren, waar koolstofnanobuisjes strategisch worden gedistribueerd binnen een polymeerstructuur om het aangepaste mechanische eigenschappen te verlenen.

Koolstofnanobuisjes bieden ook goede elektrische en thermische geleidbaarheid , waardoor ze bruikbaar zijn in elektronische verpakkingstoepassingen of als additieven voor polymeren en kleefstoffen om ze geleidend te maken. Traditioneel waren metalen het primaire materiaal dat werd gebruikt als elektrische en thermische geleiders in elektronica, omdat polymeren en keramiek in vergelijking daarmee een slechte elektrische en thermische geleidbaarheid boden.

Echter, door koolstofnanobuisjes toe te voegen, kunnen verschillende polymeren geleidend worden gemaakt , wat nieuwe mogelijkheden biedt voor snellere, goedkopere elektronicaproductie .

Met koolstof nanobuisjes versterkte composieten

Als grafeen en koolstofnanobuisjes zo ongelooflijk sterk zijn, waarom gebruiken we ze dan niet overal in ? Een onderdeel met een sterkte vergelijkbaar met grafeen of koolstofnanobuisjes zou praktisch onverwoestbaar zijn in vergelijking met enig ander materiaal.

Om de uitdaging te begrijpen om te profiteren van de ongelooflijke kracht van koolstofnanobuizen en grafeen, kunnen we kijken naar de reden waarom grafiet zacht is . Afzonderlijke vellen grafeen zijn extreem sterk, maar grafiet is zacht omdat de bindingen tussen de vellen grafeen zwak zijn .

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

Dit is de reden waarom koolstof nanobuisjes vaak worden gebruikt als additief in andere materialen , meestal polymeren, om hun eigenschappen te verbeteren. De koolstof nanobuisjes voeg kracht toe en het 'matrix'-materiaal waarin ze zijn verspreid, houdt alles bij elkaar. Maar dit laat ons met de vraag:Waarom zijn die kleine koolstofnanobuisjes zo veel sterker dan bulkmaterialen? Ze zijn sterk omdat ze klein zijn.

Ultrasterke nanomaterialen

De sleutel tot de sterkte van koolstofnanobuisjes ligt in het feit dat ze de theoretische sterkte van koolstof bijna bereiken vanwege hun kleine formaat . De theoretische sterkte van een materiaal is de spanning die nodig zou zijn om een ​​perfect kristal vrij van defecten te breken.

De theoretische sterkte van puur ijzer is bijvoorbeeld 31,8 GPa, terwijl bulkstaal sterkten heeft in het bereik van 270-740 MPa, minder dan 2,5% van de theoretische sterkte. Dit komt omdat kleine defecten, bekend als dislocaties, het bulkstaal vatbaar maken voor plastische vervorming en falen bij lagere spanningen vergeleken met een hypothetisch defectvrij kristal .

Bulkmaterialen komen nooit in de buurt van hun theoretische sterktes omdat, zelfs bij uiterst zorgvuldige verwerking, grootschalige materialen onvermijdelijk eindigen met microstructurele defecten die hun kracht 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 kattenhangmat die werd beschreven tijdens de uitreiking van de Nobelprijs in 2010.

Zo'n groot vel zou zeker gebreken bevatten dat zou zijn kracht verminderen en de kat zou door de hangmat scheuren. De verwerking van de meeste bulkmaterialen is dus gericht op het beperken van het effect van hun microstructurele defecten in plaats van het volledig elimineren van defecten . Het maken van grote hoeveelheden volledig defectvrij materiaal is met de huidige technologie praktisch onmogelijk.

Het synthetiseren van een defectvrij materiaal is veel beter mogelijk als het materiaalvolume heel erg klein is. Simpel gezegd:een zeer kleine hoeveelheid materiaal heeft statistisch gezien minder kans op een defect dan een grote , en kleine hoeveelheden materiaal zijn gemakkelijker te maken door chemische groeiprocessen die weinig defecten introduceren.

Zo is het mogelijk om grote hoeveelheden defectvrije nanobuisjes te maken , maar niet mogelijk om een ​​groot monolithisch stuk defectvrij materiaal te maken. Koolstofnanobuisjes zijn ultrasterk omdat ze ultraklein zijn waardoor ze vrij van defecten zijn.

Het is ook de moeite waard om in gedachten te houden dat de sterkte van materialen wordt gemeten door de kracht die nodig is om een ​​monster te breken te delen door de dwarsdoorsnede van dat monster , wat resulteert in eenheden zoals de megapascal (MPa) die overeenkomt met één newton per vierkante millimeter (N/mm2). Zo compenseren sterktemetingen automatisch de hoeveelheid materiaal in een monster, en bijgevolg kunnen we de sterkte van een stalen staaf met een diameter van 1 cm vergelijken met die van een koolstofnanobuisje met een diameter van 1 µm.

De kleine nanobuis is veel waarschijnlijker volledig vrij van defecten , en daardoor extreem sterk. Maar om genoeg nanobuisjes te bundelen om een ​​deel te maken dat even groot is als de stalen staaf, zou we een vezelversterkte composiet moeten maken .

Hun kleine formaat en het daaruit voortvloeiende gebrek aan defecten maken koolstofnanobuizen tot een ultrasterk nanomateriaal , met individuele meerwandige koolstofnanobuizen met gerapporteerde sterktes van 11 - 63 GPa, wat dicht bij de theoretische sterkte van koolstof van 156,0 GPa ligt. Andere materialen kunnen ook ultraklein worden gemaakt , defectvrije "snorharen", waaronder ijzer, dat een gerapporteerde sterkte van 13 GPa heeft in nano-snorharenvorm, een veel grotere waarde voor de theoretische sterkte van ijzer dan bulkstaal.

Veel andere materialen zijn gesynthetiseerd in nanobuisjes , nanodraad of snorhaar onder laboratoriumomstandigheden, maar koolstofnanobuisjes zijn een van de weinige ultrasterke nanomaterialen die in commerciële hoeveelheden verkrijgbaar zijn bij leveranciers zoals Goodfellow.

Conclusies

Koolstofnanobuisjes zijn een van de sterkste materialen die ooit zijn ontdekt omdat ze door hun extreem kleine formaat defectvrij kunnen zijn en dicht bij het bereiken van de theoretische sterkte van koolstof . Dit is de reden waarom koolstofnanobuisjes het meest worden gebruikt om de eigenschappen van andere materialen te verbeteren , zoals wanneer ze worden toegevoegd aan polymeermatrices om hun sterkte, elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid te verbeteren.

De sterkte van koolstofnanobuisjes is orden van grootte hoger dan die van andere vezels die gewoonlijk worden gebruikt in vezelversterkte composieten. Goede elektrische en thermische geleidbaarheid van koolstofnanobuisjes maakt het ook mogelijk geleidende polymeren te maken voor elektronische toepassingen waar traditioneel metalen worden gebruikt.