Hvordan atomstruktur påvirker de forskellige egenskaber af kulstofnanorør

Carbon nanorør er af stor interesse i både videnskabelig forskning og kommercielle anvendelser takket være materialets unikke egenskaber. Et nyt speciale ved Karlstad Universitet ser på, hvordan atomstrukturen påvirker materialets forskellige egenskaber.

"I øjeblikket er der for få målestandarder og intet ordentligt klassifikationssystem for kulstofnanorør," siger Mattias Flygare, nyligt uddannet doktor i fysik, som netop har udgivet sit speciale. Jeg har undersøgt effekten af ​​krystallinitet på forskellige egenskaber, såsom rørenes bøjningsstivhed og elektriske ledningsevne.

Det er kendt, at hvis rørene havde en perfekt atomstruktur, ville disse egenskaber være fremragende; dette er dog sjældent tilfældet i virkeligheden. I stedet observerer forskerne, at rørenes vægge består af et patchwork af forskellige store "korn" med en velordnet atomstruktur. Størrelsen af ​​disse krystallitkorn giver sammen med andre defekter materialet andre egenskaber.

Carbon nanorør er meget tynde og lette hule rør, der består af kulstofatomer, med vægge, der kun er et atom tykke. Rørvæggen er som et ark grafit rullet ind i en cylinder, med sekskantede mønstre, der danner arket. På grund af deres unikke mekaniske, elektriske og termiske egenskaber tilbyder kulstofnanorør et stort potentiale for videnskabelig forskning og industrielle og kommercielle anvendelser, for eksempel i kompositmaterialeindustrien, men anvendelsesområdet er bredere end som så.

Korn af perfekte mønstre

"Jeg har undersøgt, i hvor høj grad forskellige uregelmæssigheder i atomstrukturen påvirker materialets egenskaber, siger Mattias Flygare. For at studere atomstrukturen har jeg brugt vores transmissionselektronmikroskop her på Karlstad Universitet. Mikroskopet bruger en stråle. af elektroner i stedet for synligt lys til at analysere materialet, hvilket gør det muligt at se på rørene på nanometerniveau, altså en milliardtedel af en meter, hvilket er ufatteligt lille Mine undersøgelser viser f.eks., at egenskabernes afhængighed på rækkefølgen og periodiciteten af ​​atomerne inde i rørvæggene er ikke altid helt lineær, og der er kritiske punkter, hvor egenskaberne kan forbedres drastisk blot ved at øge krystalliniteten lidt.Dette er et meget interessant resultat, der viser behovet for mere forskning og udvikling af karakteriseringsmetoder for kulstofnanorør, så den rigtige slags rør kan bruges til det rigtige formål, og for at videreudvikle produktionsmetoder for rørene."

Transmissionselektronmikroskop

Ved hjælp af denne teknik kan man komme uden om opløsningsbegrænsningerne for synligt lys, som er omkring en mikrometer, og ned til omkring 100 picometer, altså 0,1 nanometer, hvilket er højt nok til at opløse individuelle atomer. Inde i mikroskopet på universitetet er det også muligt at manipulere kulstofnanorørene med en specialbygget sonde, der kan styres på nanometerniveau.

"Vores elektronmikroskop er placeret i hus 21, men det er fuldstændig isoleret fra vibrationer fra resten af ​​huset," siger Mattias Flygare. "Hvis mikroskopet havde kontakt med huset, ville det kun tage én person at gå ned ad gangen uden for rummet, før vibrationerne gjorde billedet sløret og ubrugeligt."

Anvendelsesområder for kulstofnanorør

I dag er der applikationer til kulstof nanorør i mange forskellige produkter, og forskere fortsætter med at udforske kreative nye måder at bruge materialet på. Carbon nanorør findes i forskellige kompositmaterialer, for eksempel i sportsudstyr som tennisketchere og cykler, på grund af dets evne til at forbedre styrken og alligevel reducere vægten. Takket være dens elektriske ledningsevne er den også anvendelig i al slags elektronik, og der er endnu flere eksotiske anvendelser i horisonten. + Udforsk yderligere

Yderrør-selektivt bor-dopet dobbeltvæggede carbon nanorør til termoelektriske applikationer