{"id":26318,"date":"2012-03-25T21:20:49","date_gmt":"2012-03-25T18:20:49","guid":{"rendered":"http:\/\/www.fyysika.ee\/uudised\/?p=26318"},"modified":"2012-03-25T21:20:49","modified_gmt":"2012-03-25T18:20:49","slug":"susiniknanotorufiibrite-valmistamine-ja-omadused","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fyysika.ee\/?p=26318","title":{"rendered":"S\u00fcsiniknanotorufiibrite valmistamine ja omadused"},"content":{"rendered":"

Esmakordselt mainiti tubulaarset s\u00fcsinik-nanoosakest 1952. aastal Radushkevishi poolt. J\u00e4rgneval neljak\u00fcmnel aastal avaldati rida sarnaseid t\u00e4helepanekuid, kuid alles p\u00e4rast 1991. aastal ilmunud jaapanlase Sumio Iijima artiklit tekkis teadlastel suurem huvi s\u00fcsiniknanotorude (CNT) uurimise vastu. Kindlasti aitas sellele kaasa ka kaheksak\u00fcmnendate kiire elektron- ja aatomj\u00f5umikroskoopia areng. Lisaks avastati 1985. aastal veel fullereen. Viimase 20 aasta jooksul on m\u00e4rks\u00f5nu carbon nanotube<\/em> sisaldavate artiklite hulk iga kahe aasta tagant kahekordistunud. Kuigi hetkel on see kasv pidurdumas ja uueks trendiks on saanud grafeen, avaldati 2011. aastal umbes 13500 vastavat m\u00e4rks\u00f5na carbon nanotube<\/em> sisalduvat artiklit.<\/p>\n

Selle suure huvi p\u00f5hjuseks on CNT-de erakordsed omadused. N\u00e4iteks on CNT-de t\u00f5mbetugevus \u00a0~100 GPa (teras ~2 GPa), elastsusmoodul ~1 TPa, sellel on head elektrilised ja soojuslikud omadused ning v\u00e4ike tihedus ~1,3 g\/cm3. Nanotorud on \u00fchedimensionaalsed osakesed, st nende pikkuse ja diameetri suhe on v\u00e4ga suur, mis t\u00e4hendab unikaalseid rakendusv\u00f5imalusi v\u00e4ga v\u00e4ikestes seadmetes. Lisaks on neil \u00fcsnagi hea vastupidavus v\u00e4liskeskkonna m\u00f5judele. S\u00fcsiniknanotorud on stabiilsed \u00f5hus kuni 400\u00b0<\/span> C ning ei reageeri toatemperatuuril ei hapete ega ka alustega. K\u00f5ik need omadused teevad s\u00fcsiniknanotorudest unikaalsed nanoosakesed, milledel on v\u00e4ga palju potentsiaalseid rakendusi. Paraku on k\u00f5ik need head omadused vaid nanotasemel ja nende n\u00f6 \u00fcletoomine makromaailma on t\u00e4naseni suur v\u00e4ljakutse. Nii on n\u00e4iteks s\u00fcsiniknanotorude potentsiaalsete rakendustena v\u00e4lja pakutud tugevate struktuursete materjalide ja elektrikaablite valmistamine, nende kasutamine p\u00e4iksepatareides, vesiniku salvestina, superkondensaatori elektroodina jpt. Reaalselt kasutatakse neid nanotorusid t\u00e4nap\u00e4eval vaid m\u00f5ningates komposiitmaterjalides ning ka aatomj\u00f5u mikroskoobi teravikuna.<\/p>\n

S\u00fcsiniknanotorufiibi valmistamise meetodid<\/h3>\n

S\u00fcsiniknanotorufiibri (CNT-fiiber) puhul on tegemist valdavalt s\u00fcsiniknanotorudest moodustunud makroskoopilise materjaliga. CNT-fiibri valmistamise meetodid saab laias laastus jagada kolmeks: nn vedel ja tahke meetodid ning dielektroforees. Looduslikest materjalidest, nagu n\u00e4iteks villast ja puuvillast koosnevaid fiibreid valmistatakse tahket meetodit kasutades, milles diskreetsed fiibrid kedratakse l\u00f5ngaks\/niidiks. Enamus s\u00fcnteetilisi fiibreid valmistatakse viskoossest ja kontsentreeritust vedelikust. See vedelik koosneb kas termiliselt sulatatud v\u00f5i solvendis lahustatud tahkest algmaterjalist, mis vormistatakse voolamise mehhaanikat, materjali jahutust ja solvendi aurustamist kontrollides fiibriks.<\/p>\n

Vedel meetod (liquid-state spinning<\/em>)<\/h4>\n
\"\"<\/a>

CNT-fiibri valmistamine vedelal meetodil.<\/p><\/div>\n

Vedela meetodi puhul tuleb CNT-d viia eelnevalt vedelasse faasi. Tulenevalt nende suurest j\u00e4ikusest ja molekulmassist pole nanotorusid sulanud olekusse viia \u00a0v\u00f5imalik. Samas ei lahustu need ka orgaanilistes ega anorgaanilistes lahustites. Lisaks on Van der Waals\u2019i j\u00f5udude t\u00f5ttu nanotorudele iseloomulik moodustada puntraid, see aga raskendab veelgi nende kontrollitud manipuleerimist. Lahendusena on v\u00f5imalik neid n\u00e4iteks funktsionaliseerida (-OH, -COOH, -NH2 r\u00fchmad), muutes need paljudes solventides rohkem lahustuvamaks. Kahjuks kahjustab selline keemiline t\u00f6\u00f6tlus nanotorude elektrilisi ja ka mehhaanilisi omadusi. Leebem v\u00f5imalus on lisada lahustile surfaktanti (pindaktiivset ainet), mis moodustab nanotorude \u00fcmber mitselli ja stabiliseerib lahuse. Samas v\u00f5ib p\u00e4rast fiibri moodustumist osutuda surfaktant kahjulikuks, kuna see v\u00e4hendab nanotorude vahelisi van der Waals\u2019i j\u00f5ude ja h\u00f5\u00f5rdumist, v\u00e4hendades sellega ka moodustunud fiibrite tugevust ja elektrilisi juhtivust.<\/p>\n

S\u00fcsiniknanotorude, surfaktandi ja lahusti liitmise j\u00e4rel tuleb segu sonikeerida. See on vajalik selleks, et ,,harutada\u201d CNT-de puntrad lahti. Samal ajal \u00fcmbritsevad surfaktandi molekulid nanotorusid ja tulemusena saadakse ajas stabiilne dispersioon.<\/p>\n

Fiibri valmistamiseks surutakse dispersioon l\u00e4bi peenikese n\u00f5ela otsa teise keskkonda, millele j\u00e4rgneb solvendi aurustumine ja fiibri moodustumine.<\/p>\n

Tahke meetod (solid-state spinning)<\/h4>\n
\"\"<\/a>

CNT-fiibri punumine s\u00fcsiniknanotorude metsast.<\/p><\/div>\n

Looduslikud puuvillane niit ja villane l\u00f5ng valmistatakse diskreetsetest 3-4 sentimeetri pikkustest ja umbes 15 mikromeetrise l\u00e4bim\u00f5\u00f5duga fiibritest. Mida suurem on \u00fcksiku fiibri pikkus (v\u00e4hem defekte) ja v\u00e4iksem l\u00e4bim\u00f5\u00f5t (suurem kontaktipind) seda tugevam k\u00f6is saadakse. Sarnaselt tuhandete aastate vanusele tehnoloogiale on v\u00f5imalik ka CNT-dest valmistada fiibrit\/k\u00f6it.<\/p>\n

CNT-de keemilise aurusadestamise (chemical vapor deposition – CVD<\/em>) s\u00fcnteesil t\u00e4heldati, et reaktoris moodustusid kuni 10 cm pikkused ~15 mm l\u00e4bim\u00f5\u00f5duga fiibritaolised agregaadid. Fiibritel olid paljut\u00f5otavad omadused: t\u00f5mbetugevus 0,8 GPa ja eritakistus 5 \u03a9\u2022cm. Siiski j\u00e4id need tulemused suurusj\u00e4rke alla \u00fcksikute nanotorude omadustele. Hilisemal t\u00e4iendamisel t\u00f6\u00f6tati v\u00e4lja metoodika pideva fiibri valmistamiseks, kus CNT-d punutakse fiibriks vahetult reaktoris. Vertikaalsesse reaktorisse sisestatakse l\u00e4hteained, misj\u00e4rjel moodustub s\u00fcsiniknanotorude aerogeel, mis punutakse kohe fiibriks v\u00f5i kileks.<\/p>\n

Teine tahke fiibri valmistamise meetodi alaliik on fiibri punumine eelkasvatatud vertikaalsest s\u00fcsiniknanotorude metsast v\u00f5i puuvillale sarnasest ebakorrap\u00e4raselt agregeerunud s\u00fcsiniknanotorude puntrast.<\/p>\n

Dielektroforeetiline meetod<\/h4>\n

Esmakordselt demonstreeris dielektroforeesi rakendamist CNT-fiibrite kasvatamises Tang. Sarnaselt vedelale meetodile tuleb ka siin eelnevalt CNT-d lahuses dispergeerida. Dispersiooni tilk asetatakse metallist plaadile v\u00f5i seibile. N\u00f6 ,,t\u00f6\u00f6tava\u201d elektroodina kasutatakse siin teravat metalln\u00f5ela. See lastakse lahusesse ja kahe elektroodi vahele rakendatakse vahelduvvool. Tekib eba\u00fchtlane elektriv\u00e4li, milles neutraalsed suurt dipoolmomenti omavad CNT-d hakkavad liikuma suurema v\u00e4ljatihedusega piirkonna poole. CNT-d kinnituvad teravikule ning samal ajal teravikku v\u00e4lja t\u00f5mmates moodustub fiiber.<\/p>\n

T\u00dc F\u00fc\u00fcsika instituudis on dielektroforeetilisel meetodil saadud erakordselt suure diameetriga (kuni 0,5 mm) CNT-fiibreid.<\/p>\n

CNT-fiibrite omadused<\/h3>\n

Kuna taoliste fiibrite p\u00f5hilise rakendusena n\u00e4hakse tugevate ja elektrit juhtivate materjalide v\u00e4ljat\u00f6\u00f6tamist, siis ongi enamasti hinnatud teadust\u00f6\u00f6de tulemustena mehhaanilisi ja elektrilisi omadusi.<\/p>\n

K\u00f5ige levinumateks mehhaanilisteks parameetriteks on t\u00f5mbetugevus, elastsusmoodul ja sitkus. Kusjuures k\u00f5ik kolm parameetrit on v\u00f5imalik m\u00e4\u00e4rata \u00fche t\u00f5mbekatsega eeldusel, et fiibri purukst\u00f5mbamisel m\u00f5\u00f5detakse lisaks rakendatavale j\u00f5ule ka paralleelselt fiibri pikenemist. Graafiku t\u00f5usust saab elastsusmooduli (materjali vastupanu deformatsioonile) ja joonealusest pindalast sitkuse (t\u00f6\u00f6, mis kulub fiibri katki t\u00f5mbamiseks). Parima tulemuse on andnud just s\u00fcsiniknanotorude metsast punutud fiiber (3,3 GPa). Materjali teeb veel unikaalseks selle kergus, mis on 0,2 g\/cm3. Lisaks t\u00f5mbetugevusele meeldib teadlastele oma materjali kiitmiseks tuua v\u00f5rdluseks erit\u00f5mbetugevus (specific tensile strength<\/em>), milles t\u00f5mbetugevus jagatakse l\u00e4bi tihedusega (jagatakse ilma \u00fchikuta). Sel viisil saadakse tugevamate teraste puhul (t\u00f5mbetugevus ~2 GPa) erit\u00f5mbetugevuseks umbes 0,2-0,3 GPa, aga CNT-fiibri puhul tuleb see juba 16,5 GPa. Seega on antud tulemus praktiliselt 100 korda parem. Erit\u00f5mbetugevus on oluline just selliste rakenduste puhul, milles materjal peab kannatama oma raskuse all. Nii on v\u00e4lja arvutatud, et kosmoselifti ehituseks peaks materjali erit\u00f5mbetugevus olema \u00fcle 200 GPa. Samas pole see meetod ei hetkel ega ka ilmselt tulevikus majanduslikult otstarbekas. CNT metsa kasvatamine on raskesti reprodutseeritav ja samas on saadav kogus piiratud vaid m\u00f5nek\u00fcmne milligrammidega.<\/p>\n

Fiibrite t\u00f5mbetugevuste uurimisel on ka t\u00e4heldatud, et mida pikemaid CNT-sid punumiseks kasutatakse, seda parem tulemus saadakse. See on \u00fcsna loogiline kuna pikemaid CNT-sid kasutades v\u00e4hendatakse fiibris defektseid otspunkte. Lisaks on kahe toru omavaheline kontaktipind ja seega ka h\u00f5\u00f5rduvus suuremad.<\/p>\n

Kokkuv\u00f5te<\/h3>\n

Antud t\u00f6\u00f6 tutvustab p\u00f5gusalt enimlevinud CNT-fiibrite valmistamise meetodeid ja tutvustab nende tulemusel saadud fiibrite mehhaanilisi ja elektrilisi omadusi. CNT-fiibrite valmistamismeetodid v\u00f5ib jagada kolmeks: vedel ja tahke meetod ja dielektroforees. Vedela meetodi puhul CNT-d eelnevalt dispergeeritakse lahuses ja seej\u00e4rel saadakse l\u00e4bi koagulatsiooni ja solvendi aurustumise fiiber. Tahke meetodi puhul valmistatakse fiiber eelkasvatatud vertikaalsest nanotoru metsast v\u00f5i punutakse see otse CVD reaktoris tekkinud CNT-aerogeelist. Dielektroforeesil kasutatakse nanotorude manipuleerimiseks elektriv\u00e4lja.<\/p>\n

Vaatamata paljudele laboris saadud suurep\u00e4rastele tulemustele pole CNT-fiibrid t\u00f6\u00f6stuses veel erilist rakendust leidnud. Suurimaks takistuseks on ilmselt j\u00e4tkuvalt hea nanoproovi k\u00f5rge hind ja fiibri valmistamiseks vajalik nn ,,k\u00e4sit\u00f6\u00f6\u201d.<\/p>\n

Autor:<\/em> Margo Plaado<\/div>\n
Viited:<\/em><\/div>\n
\n
\n
    \n
  • Radushkevish L. V. et al, Zurn. Fisic. Chim., 1952, 26, 88-95.<\/li>\n
  • Iijima S., Nature, 1991, 354, 56-58.<\/li>\n
  • Kroto H. W. et al, Nature, 1985, 318, 162.<\/li>\n
  • http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Carbon_nanotube<\/li>\n
  • http:\/\/www.reinforcedplastics.com\/view\/7467\/pirahna-usv-built-using-nanoenhanced-carbon-prepreg\/<\/li>\n
  • http:\/\/www.nanoscience.com\/store\/pc\/viewCategories.asp?idCategory=9<\/li>\n
  • Vigolo, B., Science,2000, 290, 1331.<\/li>\n
  • Li, Y. L., et al., Science, 2004, 304, 276.<\/li>\n
  • Zhang, M., et al., Science, 2004, 306, 1358.<\/li>\n
  • Ci, L., et al., Adv. Mater., 2007, 19, 1719.<\/li>\n
  • Tang J, Gao B, Geng H Z, Velev O D, Qin L C and Zhou O, Adv. Mater., 2003, 15, 1352<\/li>\n
  • Plaado M., et al, Nanotechnology, 2011, 22, 305711<\/li>\n
  • Behabtu N, Green M J and Pasquali M, Nano Today, 2008, 3, 24<\/li>\n
  • Koziol K, Vilatela J, Moisala A, Motta M, Cunniff P, Sennett M and Windle A, Science, 2007, 318, 1892<\/li>\n
  • Dalton, A. B., et al., Nature, 2003, 423, 703.<\/li>\n
  • Zhang H, Tang J, Zhu P W, Ma J and Qin L C, Chem. Phys. Lett., 2009, 478, 230<\/li>\n<\/ul>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Esmakordselt mainiti tubulaarset s\u00fcsinik-nanoosakest 1952. aastal Radushkevishi poolt. J\u00e4rgneval neljak\u00fcmnel aastal avaldati rida sarnaseid t\u00e4helepanekuid, kuid alles p\u00e4rast 1991. aastal ilmunud jaapanlase Sumio Iijima artiklit tekkis teadlastel suurem huvi s\u00fcsiniknanotorude (CNT) uurimise vastu. Kindlasti aitas sellele kaasa ka kaheksak\u00fcmnendate kiire elektron- ja aatomj\u00f5umikroskoopia areng. Lisaks avastati 1985. aastal veel fullereen. Viimase 20 aasta jooksul on […]<\/p>\n","protected":false},"author":32,"featured_media":26320,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_genesis_hide_title":false,"_genesis_hide_breadcrumbs":false,"_genesis_hide_singular_image":false,"_genesis_hide_footer_widgets":false,"_genesis_custom_body_class":"","_genesis_custom_post_class":"","_genesis_layout":"","footnotes":""},"categories":[155],"tags":[147],"class_list":{"0":"post-26318","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-referaadinurgake","8":"tag-nanotehnoloogia","9":"entry"},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/26318","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/32"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=26318"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/26318\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/26320"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=26318"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=26318"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=26318"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}