Nuove strutture di nanotubi di carbonio con materiali ibridi che modificano le loro straordinarie proprietà

I nanomateriali a base di carbonio come i nanotubi di carbonio (CNT), i fullereni e il grafene sono interessanti per le loro proprietà fisiche uniche. Un nuovo studio esplora il potenziale delle nanostrutture ibride e introduce una nuova struttura ibrida di grafene CNT porosa con proprietà termiche e meccaniche significative.

Questo studio mostra come le proprietà significative delle nuove eterostrutture di grafene CNT possano essere modificate modificando leggermente la disposizione geometrica intrinseca di CNT e grafene, nonché vari riempitivi.

La capacità di controllare con precisione la conduttività termica e la resistenza meccanica nelle strutture ibride di grafene CNT lo rende un candidato potenzialmente adatto per una varietà di applicazioni, in particolare nella produzione aerospaziale avanzata, dove peso e resistenza sono fondamentali.

Nanostrutture di carbonio: nanotubi di carbonio, grafene, fullereni

Le nanostrutture di carbonio e le miscele di più nanostrutture di carbonio sono state recentemente studiate come potenziali candidati per numerose applicazioni di rilevamento, fotovoltaico, antibatterico, stoccaggio di energia, celle a combustibile e miglioramento ambientale.

Le nanostrutture a base di carbonio più studiate sembrano essere i CNT, il grafene e i fullereni. Grazie alle loro dimensioni estremamente ridotte, queste strutture presentano proprietà termiche, meccaniche, elettroniche e biologiche uniche.

Le strutture misurate nell'intervallo sub-nanometrico operano secondo le leggi speciali della fisica quantistica, quindi possono essere utilizzate per sfruttare fenomeni non intuitivi come l'effetto tunnel quantistico, la sovrapposizione quantistica e l'entanglement quantistico.

I nanotubi di carbonio sono tubi fatti di carbonio e hanno un diametro di pochi nanometri. I nanotubi di carbonio mostrano una notevole conduttività elettrica e alcuni sono materiali semiconduttori.

Grazie alla loro nanostruttura e alla forza dei legami covalenti che si formano tra gli atomi di carbonio, i nanotubi di carbonio presentano anche un'elevata resistenza alla trazione e conduttività termica.

I nanotubi di carbonio sono materiali potenzialmente preziosi per l'elettronica, l'ottica e i compositi, e potrebbero sostituire le fibre di carbonio nei prossimi anni. Anche la nanotecnologia e la scienza dei materiali stanno utilizzando i nanotubi di carbonio nelle loro ricerche.

Il grafene è un isomero del carbonio sotto forma di un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura reticolare bidimensionale composta da esagoni. Il grafene è stato isolato per la prima volta nel 2004 in una serie di esperimenti pionieristici condotti dagli scienziati Andrew Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester, nel Regno Unito, che hanno vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2010.

Nei decenni successivi, il grafene è diventato un nanomateriale utile con un'elevatissima resistenza alla trazione, trasparenza e conduttività elettrica, adatto a un'ampia e diversificata gamma di applicazioni nell'elettronica, nella sensoristica e in altre tecnologie avanzate.

L'llerene è un altro isomero del carbonio noto da tempo. La sua molecola è composta da atomi di carbonio collegati da legami singoli e doppi in una maglia che può essere chiusa o parzialmente chiusa. La maglia è fusa in un anello di cinque, sei o sette atomi.

Le molecole di fullerene possono avere forme sferiche cave, ellissoidali, tubolari o di molte altre dimensioni. Il grafene può essere considerato un membro estremo della famiglia dei fullereni, sebbene sia considerato un membro di una classe di materiali a sé stante.

Nanostructure ibride

Oltre all'ampia ricerca investita nella comprensione e nella caratterizzazione individuale di queste nanostrutture di carbonio, gli scienziati stanno anche esplorando le proprietà delle nanostrutture ibride che combinano due o più elementi nanostrutturati in un unico materiale.

Per esempio,schiumehanno proprietà regolabili che li rendono adatti ad applicazioni pratiche come la progettazione di strutture sandwich, progetti biocompatibili e la progettazione di strutture ad alta resistenza e basso peso.

Le nanoschiume a base di carbonio sono state utilizzate anche in medicina per esaminare i danni alle ossa e come base per la sostituzione del tessuto osseo.

Le strutture a nido d'ape a base di carbonio vengono prodotte mediante deposizione chimica da vapore (CVD) e trattamento in soluzione. Sono stati implementati anche metodi di sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS) per utilizzare il grafene in applicazioni biologiche e mediche.

Gli scienziati hanno quindi cercato modi per rendere stabili le strutture tridimensionali in schiuma di carbonio. La ricerca ha dimostrato che è necessario creare connessioni stabili tra diversi tipi di strutture (nanotubi di carbonio, fullereni e grafene) per rendere questo materiale sufficientemente stabile per un'ampia gamma di applicazioni.

Nuova ricerca sulle nanostructure ibride

Una nuova ricerca condotta dagli ingegneri meccanici dell'Università tecnica di Istanbul in Turchia introduce un nuovo tipo di nanostruttura ibrida formata tramite legami chimici.

Le strutture porose di CNT di grafene vengono realizzate organizzando il grafene attorno ai CNT in nanonastri. Le diverse disposizioni geometriche degli strati di nanonastri di grafene attorno ai nanotubi di carbonio (schemi quadrati, esagonali e a diamante) portano all'osservazione di diverse proprietà fisiche nel materiale, suggerendo che questa riorganizzazione geometrica può essere utilizzata per perfezionare le nuove strutture.

I ricercatori hanno scoperto, ad esempio, che le strutture inserite con fullereni mostravano una significativa stabilità alla compressione e resistenza senza sacrificare la resistenza alla trazione. Anche la disposizione geometrica delle nanostrutture di carbonio aveva un effetto significativo sulle loro proprietà termiche.

I ricercatori affermano che queste nuove nanostrutture ibride offrono importanti vantaggi, soprattutto per l'industria aerospaziale. Le nanostrutture con queste strutture ibride potrebbero essere utilizzate anche per lo stoccaggio dell'idrogeno e per la nanoelettronica.