Hiilinanoputket (carbon nanotube, CNT) ovat hiilen allotrooppeja, jotka ovat sylinterinmuotoisia hunajakennon muotoisia ja joiden halkaisija on nano.

CNT:llä on lukuisia ominaisuuksia, kuten mekaaninen lujuus, elastisuus, keveys, sähkön- ja lämmönjohtavuus, jotka tekevät siitä lupaavimman materiaalin.

Monet teollisuudenalat, kuten elektroniikka, lääketiede, energian varastointi, anturit ja monet muut, hyödyntävät CNT:tä runsaasti. Kasvava kysyntä on aiheuttanut jatkuvia paineita CNT:iden valmistuksen tehostamiselle.

CNT:iden laajamittainen tuotanto on muodostunut suurimmaksi haasteeksi, joka haittaa niiden sovelluksia. 

Haasteeseen vastaaminen :

Yleensä tutkijat kasvattavat mieluummin CNT-metsiä kuin kasvattavat niitä yksittäin. CNT-metsät ovat pystysuoraan linjassa olevia CNT-massoja, jotka ovat itse koottuja.

Tämä tapahtuu yleensä kemiallisella höyrystysprosessilla, jossa substraatille on kiinnitetty katalyytti, joka myöhemmin erotetaan CNT-metsästä, jotta saadaan erittäin puhdasta materiaalia.

Vaikka tässä prosessissa on paljon hyviä puolia, ainoa suuri ongelma on sen pituus.

Tähän mennessä tutkijat ovat pystyneet kasvattamaan CNT-metsää jopa 2 cm:n pituiseksi käyttämällä katalyyttejä, kuten rautaa (Fe) alumiinioksidilla (Al2O3) (CNT:iden pituudella on ratkaiseva merkitys niiden ominaisuuksiin, joten tämä näkökohta on otettava huomioon).

Tämä vaikuttaa sen teolliseen arvoon rajoittamalla materiaalin tarjontaa ja nostamalla sen hintaa. 

On tehty vallankumouksellinen löytö, joka on muuttanut pelin täysin.

Japanilainen tutkijaryhmä on hiljattain rekisteröinyt CNT-metsän pituuden jopa 14 senttimetriin asti uudenlaisen lähestymistavan avulla. Heidän tutkimuksensa on julkaistu hiljattain Carbon-lehdessä. 

Wasedan yliopiston apulaisprofessori Hisashi Sugime ja hänen ryhmänsä havaitsivat, että CNT:t lakkasivat kasvamasta, koska aiemmin käytetyn katalyytin (Fe-Al2Ox) rakenne muuttui asteittain.

Periaatteessa CNT:iden tiheys, joka riippuu aktiivisten katalyyttien määrästä, ei riitä ylläpitämään itsekantavaa rakennetta, jolloin metsän kasvu loppuu.

Siksi käytetyn katalyytin on pysyttävä rakenteellisesti ja kemiallisesti stabiilina. 

Heidän lähestymistapansa oli muuttaa tekniikkaa tämän epävakauden poistamiseksi.

Se saavutettiin lisäämällä gadolinium (Gd)-kerros aikaisempaan katalyyttiin, joka oli päällystetty n-tyypin piisubstraatilla.

Gadoliniumkerros auttoi estämään katalysaattorin heikkenemistä ja antoi puolestaan CNT-metsän kasvaa 5 cm:n pituiseksi.

Halutun pituuden saavuttamiseksi he pitivät katalyyttiä kammiossa, jota kutsutaan kylmäkaasukemialliseksi höyrystyskammioksi (CVD-kammioksi).

Katalyytti esikäsiteltiin pitämällä lämpötila 750 °C:ssa ja syöttämällä pieniä pitoisuuksia Fe- ja Al-höyryjä huoneenlämpötilassa.

Tämä auttoi säilyttämään katalyytin rakenteen jopa 26 tuntia, mikä puolestaan edisti CNT-metsän kasvua.

Huolellisten analyysien jälkeen he pystyivät onnistuneesti kirjaamaan CNT-metsän pituuden 14 cm:iin. 

Tämä merkittävä edistysaskel on laajentanut CNT:iden käyttömahdollisuuksia.

Se voi muuttaa lähestymistapaa nanoteknologiaan ja nanotieteeseen tulevassa tutkimuksessa. 

Voit lukea julkaistun tutkimusartikkelin kokonaisuudessaan alla olevasta DOI-osoitteesta. 

Viite :

Hisashi Sugime, Toshihiro Sato, Rei Nakagawa, Tatsuhiro Hayashi, Yoku Inoue, Suguru Noda. Erittäin pitkät hiilinanoputkimetsät rauta- ja alumiinihöyrylähteiden in situ -lisäyksillä. Hiili, 2020; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.066

Jos olet nanoteknologian alan tutkija, voimme auttaa sinua luomaan infografiikoita aiheeseen liittyvistä Mind the graph -aiheista.

Aiheeseen liittyvät artikkelit
logo-tilaus

Tilaa uutiskirjeemme

Eksklusiivista korkealaatuista sisältöä tehokkaasta visuaalisesta
tiedeviestintä.

- Eksklusiivinen opas
- Suunnitteluvinkkejä
- Tieteelliset uutiset ja suuntaukset
- Oppaat ja mallit