Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind Allotrope aus Kohlenstoff, die zylindrisch und wabenförmig sind und einen Durchmesser im Nanobereich haben.
CNTs haben zahlreiche Eigenschaften wie mechanische Festigkeit, Elastizität, geringes Gewicht, elektrische und thermische Leitfähigkeit, die sie zu einem vielversprechenden Material machen.
In vielen Branchen wie Elektronik, Medizin, Energiespeicherung, Sensorik und vielen anderen werden CNTs in großer Zahl eingesetzt. Die steigende Nachfrage hat dazu geführt, dass die Herstellung von CNTs ständig verbessert werden muss.
Diese großtechnische Herstellung von CNTs ist das größte Problem, das ihre Anwendung behindert.
Die Herausforderung annehmen :
In der Regel bevorzugen Wissenschaftler die Züchtung von CNT-Wäldern, anstatt sie einzeln zu züchten. CNT-Wälder sind vertikal ausgerichtete CNT-Arrays, die sich selbst zusammensetzen.
Dies geschieht in der Regel durch chemische Gasphasenabscheidung in Gegenwart eines festen Katalysators auf einem Substrat, das später vom CNT-Wald getrennt wird, um hochreines Material zu erhalten.
Obwohl dieses Verfahren eine Fülle von Vorteilen bietet, ist das einzige große Problem die Länge.
Bisher ist es den Forschern gelungen, CNT-Wälder bis zu einer Länge von 2 cm mit Hilfe von Katalysatoren wie Eisen (Fe) auf Aluminiumoxid (Al2O3) wachsen zu lassen (die Länge der CNTs spielt eine entscheidende Rolle für ihre Eigenschaften, daher ist es notwendig, diesen Aspekt zu berücksichtigen).
Dies wirkt sich auf seinen industriellen Wert aus, indem es das Angebot einschränkt und die Kosten für das Material erhöht.
Es hat eine revolutionäre Entdeckung gegeben, die das Spiel völlig verändert hat.
Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern aus Japan die Länge eines CNT-Waldes von bis zu 14 cm durch einen neuartigen Ansatz aufgezeichnet. Ihre Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift Carbon veröffentlicht.
Hisashi Sugime, Assistenzprofessor an der Waseda-Universität, und sein Team fanden heraus, dass die CNTs aufgrund der allmählichen strukturellen Veränderung des zuvor verwendeten Katalysators (Fe-Al2Ox) nicht mehr wachsen.
Grundsätzlich gilt, dass die Dichte der CNTs, die von der Anzahl der aktiven Katalysatoren abhängt, nicht ausreicht, um eine selbsttragende Struktur aufrechtzuerhalten, das Waldwachstum endet.
Daher muss der verwendete Katalysator strukturell und chemisch stabil bleiben.
Ihr Ansatz bestand darin, die Technik zu ändern, um diese Instabilität zu unterdrücken.
Sie erreichten dies, indem sie die Gadolinium (Gd)-Schicht zu dem zuvor mit einem n-Typ-Siliziumsubstrat beschichteten Katalysator hinzufügten.
Die Gadoliniumschicht trug dazu bei, dass sich der Katalysator nicht verschlechterte und der CNT-Wald um 5 cm wachsen konnte.
Um die gewünschte Länge zu erreichen, hielten sie den Katalysator in einer Kammer, der so genannten Kaltgas-Kammer für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD).
Der Katalysator wurde vorbehandelt, indem die Temperatur auf 750 °C gehalten und geringe Konzentrationen von Fe- und Al-Dämpfen bei Raumtemperatur bereitgestellt wurden.
Dies trug dazu bei, dass die Katalysatorstruktur bis zu 26 Stunden lang erhalten blieb, was wiederum das Wachstum des CNT-Waldes förderte.
Nach sorgfältigen Analysen konnten sie erfolgreich die Länge des CNT-Waldes um 14 cm erfassen.
Diese bemerkenswerten Fortschritte haben die Anwendungsmöglichkeiten von CNTs erweitert und einen neuen Horizont für die sich entwickelnde Industrie eröffnet.
Sie könnte die Herangehensweise an Nanotechnologie und Nanowissenschaft für die künftige Forschung verändern.
Den vollständigen Forschungsartikel können Sie unter der nachstehenden DOI-Adresse lesen.
Hinweis :
Hisashi Sugime, Toshihiro Sato, Rei Nakagawa, Tatsuhiro Hayashi, Yoku Inoue, Suguru Noda. Ultra-lange Kohlenstoff-Nanoröhren-Wälder durch in situ Ergänzungen von Eisen- und Aluminium-Dampfquellen. Kohlenstoff, 2020; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.066
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