Uglerod nanotubalari haqiqatan ham po'latdan 100 marta kuchlimi? Javob ha. Uglerod nanotubalarining nazariy tortishish kuchi 50{9}}200 GPa ga yetishi mumkin, bu bir xil hajmdagi oddiy po'latdan 100 baravar ko'p, zichligi esa po'latning atigi 1/6 qismidir. Ushbu "engil vazn va yuqori quvvat" birikmasi uglerod atomlari orasidagi barqaror kovalent bog'lanish tuzilishidan kelib chiqadi. Biroq, bitta trubaning ajoyib ishlashini makroskopik materiallarga (masalan, tolalar yoki kabellar) oshirish global muammo bo'lib qolmoqda: uglerod nanonaychalari uzunligi qisqa, sirpanishga moyil va o'lchangan kuchlar nazariy qiymatlardan ancha past. Ishlab chiqaruvchi sifatida Shandong Tanfeng New Material uglerod nanotubalarini aerokosmik kabi yuqori samarali sohalarda qo'llashni rag'batlantirish uchun CVD tayyorlash texnologiyasiga e'tibor qaratmoqda.
1. "Po'latdan 100 marta kuchli" degan da'vo qayerdan paydo bo'lgan?
Xulosa:Uglerod nanotubalari "po'latdan 100 marta kuchli" degan da'vo nazariy asosga ega - bitta mukammal uglerod nanotubaning tortishish kuchi 50-200 GPa ga yetishi mumkin, oddiy po'lat uchun taxminan 0,4-1,5 GPa. Farqi kattalikning ikki tartibidir.
“Odam sochidan yupqaroq bo‘lgan uglerodli nanonaycha mashinani ko‘tara oladi” - bu gap ilmiy fantastikaga o‘xshaydi, lekin u haqiqatan ham mustahkam ilmiy dalillarga asoslangan.
Uglerod nanotubalarining mustahkamligi siri ularning “skeletlari”dadir. Uglerod nanotubalari C=C kovalent bog‘lar orqali bog‘langan uglerod atomlaridan iborat bo‘lib, mukammal olti burchakli chuqurchalar tuzilishini hosil qiladi. Uglerod nanonaychasini sindirish uchun bu uglerod -uglerod aloqalari - uzilishi kerak, bu juda yuqori energiya talab qiladi. Uglerod nanotubalarining nazariy kuchi po'latdan 100 baravar ko'p bo'lishi mumkin, ularning zichligi juda past, po'latning atigi 1/6 qismi.
Keling, batafsil ma'lumotlarni taqqoslashni ko'rib chiqaylik:
| Ishlash ko'rsatkichi | Uglerod nanotubalari | Oddiy po'lat | Bir nechta |
|---|---|---|---|
| Mustahkamlik chegarasi | 50-200 GPa | 0,4-1,5 GPa | Taxminan 100 marta |
| Zichlik | 1,3-2,0 g/sm³ | 7,9 g/sm³ | Taxminan 1/6 |
| Elastik modul | 1-5 TPa | 0,2 TPa | 5 martadan ortiq |
| Maxsus kuch (Kuch ÷ Zichlik) | 25-100 GPa·sm³/g | 0,05-0,19 GPa·sm³/g | Yuzlab marta |
Ushbu raqamlar tufayli uglerod nanotubalari "super tola" va "XXI{1}}asr materiallarining mo''jizasi" sifatida e'tirof etilgan.
2. Nima uchun ba'zi odamlar "Uglerodli nanotubalar unchalik kuchli emas" deyishadi?
Xulosa:Bo'shliq "kattalashtirish" bosqichida yotadi - individual uglerod nanotubalari juda kuchli, ammo ular makroskopik materiallarga (masalan, tolalar yoki plyonkalar) yig'ilganda mustahkamlik sezilarli darajada pasayadi. Bu hozirgi asosiy texnik darboğaz.
Uglerod nanotubalari nazariy jihatdan juda kuchli ekan, nega biz kundalik hayotimizda po‘lat kabellar o‘rnini “uglerod nanotuba arqonlari” ko‘rmadik? Nega “Uch{0}}tana muammosi” filmidagi “nano uchuvchi pichoq” hali ham haqiqiy mahsulotga aylanmagan?
Javob: "bir naycha" va "bir to'plam" o'rtasida katta muhandislik bo'shlig'i mavjud.
Aslida, "nano uchuvchi pichoq" ni yaratish juda qiyin. Hozirgi texnik jarayonlarda uzoq masofali-atom tuzilishini yaratish juda qiyin. "Nano uchuvchi pichoq"ning diametri bor-yo'g'i bir nanometr, lekin uzunligi yuzlab metrlarni tashkil qiladi. Bu arqonning hech qanday nuqsoni bo'lmasligi sharti bilan 1 million metr uzunlikda bo'lishi kerak bo'lgan 1 millimetr qalinlikdagi arqonga teng.
Uzunligi santimetr-oʻta{1}}boʻlgan uglerod nanonaychalari olingan boʻlsa ham, ular bir-biriga bogʻlanganda, choʻzilish kuchi alohida uglerod nanonaychalarinikidan ancha past boʻladi. Sabablari ko'p qirrali:
| Darboğaz havolasi | Maxsus muammo | Ta'sir |
|---|---|---|
| Cheklangan uzunlik | Alohida uglerod nanotubalarining uzunligi odatda o'nlab mikrometrdan santimetrgacha bo'ladi | To'g'ridan-to'g'ri makroskopik kabel sifatida foydalanish mumkin emas |
| Quvurlararo surma- | Uglerod nanotubalari van der Waals kuchlari bilan bog'langan bo'lib, ular stress ostida siljishga moyil bo'ladi. | Quvvat keskin pasayadi |
| Strukturaviy nuqsonlar | Haqiqiy tayyorgarlikda nomukammal atom tuzilmalari mavjud | Stress kontsentratsiyasi nuqtalariga aylaning |
| Qoldiq stress | Bir to'plamdagi turli quvurlar notekis stressga ega; ba'zilari haddan tashqari-qoralangan, ba'zilari-bo'shashgan | Erta sinish |
Tsingxua universiteti jamoasi “bir vaqtda dam olish” strategiyasi - avval qoldiq stressni yo‘qotish uchun kesish, keyin esa cho‘zish - to‘plam kuchini 80 GPa dan yuqoriga oshirishi mumkinligini aniqladi. Bu allaqachon katta yutuq, ammo uglerod nanotubalarining nazariy chegarasidan (taxminan 200 GPa) bo'sh joy va "kosmik lift kabeli" kabi yakuniy ilovalardan ham kattaroq masofa mavjud.
3. Uglerodli nanotoplarni nima "kuchli" qiladi? Ular kuchdan tashqari yana qanday xususiyatlarga ega?
Xulosa:Uglerod nanotubalari nafaqat “kuchli”, balki “qattiq”, “engil” va “qattiq” - bo‘lib, ular yuqori quvvat, yuqori qattiqlik, engil vazn va yuqori qattiqlikni birlashtiradi. Ularning keng qamrovli mexanik xususiyatlari barcha ma'lum materiallar orasida tengsizdir.
Ko'pchilik uglerod nanotubalarini faqat "yuqori quvvat" deb o'ylaydi, lekin ularning "-har tomonlama qobiliyati" aslida eng hayratlanarli jihatdir.
1. Yuqori qattiqlik: Kuchli, lekin mo'rt emas
Olmoslardan farqli o'laroq, uglerod nanotubalari qattiq, lekin ayni paytda moslashuvchan. Uglerod nanonaychasini egishda yoki unga eksenel bosim o‘tkazishda tashqi kuch Eyler kuch chegarasidan oshib ketgan taqdirda ham uglerod nanonaychasi sinmaydi. Buning o'rniga u katta-burchak egilishiga uchraydi. Tashqi kuch chiqarilganda, uglerod nanonaychalari asl shakliga qaytadi. Uning nazariy maksimal cho'zilishi 20% ga yetishi mumkin.
2. Yuqori qattiqlik: olmos bilan solishtirish mumkin
Uglerod nanotubalarining qattiqligi olmos bilan solishtirish mumkin. Bu shuni anglatadiki, ular chizish sinovlarida juda yuqori aşınma qarshilik ko'rsatishi va juda kam uchraydigan "qattiq va qattiq" birikmasi - valentlik deformatsiyasiga bardosh berishi mumkin.
3. Ultra{1}}engil zichlik: po'latning 1/6 qismi
Uglerod nanotubalarining zichligi atigi 1,3-2,0 g/sm³ ni tashkil etadi, bu alyuminiydan ham engilroq. Bu ularga juda yuqori "o'ziga xos kuch" beradi - og'irlik birligi uchun yuk ko'tarish qobiliyati.
| Ishlash o'lchovi | Uglerodli nanotubaning ishlashi | Taqqoslash materiali |
|---|---|---|
| Kuch | 50-200 GPa | po'latdan 100 barobar ko'p |
| Qattiqlik | Cho'zilishi va egilishi mumkin | Olmos: bolg'a bilan parchalanadi |
| Qattiqlik | Olmos bilan solishtirish mumkin | Olmos Mohs qattiqligi 10 |
| Zichlik | 1,3-2,0 g/sm³ | 1/6 po'latdan |
| Aspekt nisbati | 1000 dan ortiq: 1 | Muhandislik tolalari uchun kamida 20:1 |
4. Ilmiy fantastikadan haqiqatga: bu “kuch inqilobi”ni kim boshqarmoqda?
Xulosa:Xitoylik olimlar va kompaniyalar birgalikda ishlamoqda - Tsinghua kabi universitetlar "super{1}}uzun" va "super{2}}kuchli" uglerod nanotubalarini tayyorlashda, Shandong Tanfeng New Material kabi kompaniyalar esa ularning tijorat maqsadlarida qo‘llanilishini targ‘ib qilmoqda.
Laboratoriyadan uglerod nanotubalari uchun sanoatlashtirish yo'lida Xitoy jamoalari dunyoda birinchi o'rinda turadi.
Ilmiy tadqiqot chegarasi: Tsinghua universitetidagi yutuqlar
2018 yilda ular bir maqola chop etishdiTabiat nanotexnologiyasikuchlanish kuchi 80 GPa dan ortiq bo'lgan uglerod nanotube to'plamlari haqida xabar berish.
2020 yilda ular bir maqola chop etishdiFanuglerod nanotubalarini sindirmasdan, uzluksiz ravishda yuzlab million marta cho'zish mumkinligini eksperimental ko'rsatish.
Ushbu yutuqlar uglerod nanotubalarini muhandislik sohasida qo'llash uchun mustahkam moddiy asos yaratdi.
Sanoat dasturi: Shandong Tanfeng yangi materialining tartibi
Uglerod nanotubalarining "super quvvati"ni haqiqiy mahsulotga aylantirish kompaniyalardan yuqori sifatli uglerod nanotubalarini-keng ko'lamli ishlab chiqarish texnologiyasini-o'zlashtirishni talab qiladi. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. bu sohadagi amaliyotchilardan biridir.
Tanfeng New Material kompaniyasining asosiy mahsulotlari qatoriga bir{0}}devorli uglerod nanotubalari, ko'p devorli uglerod nanotubalari, kremniy-karbon anod materiallari va o'tkazuvchan pastalar kiradi. Uning asosiy vakolatlari quyidagilardan iborat:
| Tanfeng yangi material afzalligi | Maxsus tarkib |
|---|---|
| Tayyorgarlik jarayoni | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Mahsulot matritsasi | Yagona devorli, ikki devorli-va koʻp devorli-trubalarni toʻliq qoplash |
| Maqsadli bozorlar | Aerokosmik, temir yo'l tranziti, shamol energiyasi va yangi energiya vositalarini o'z ichiga olgan ettita asosiy yo'nalish |
| Qo'llash usuli | Kompozit materiallar uchun mustahkamlovchi vosita sifatida, yuqori{0}}kuchli, engil yechimlarni taqdim etadi |
Aerokosmik sohada uglerod nanotubalari engil fyuzelyaj tarkibiy qismlarini ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin.
Temir yo'l tranzitida ular xavfsizlik kuchini saqlab, avtomobil tana vaznini kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin.
Shamol energetikasida ular gigant pichoqlarning charchoqqa chidamliligini oshirish uchun ishlatilishi mumkin - bularning barchasi uglerod nanotubalarining "po'latdan 100 barobar kuchli" xususiyatini qo'llashdir.
Xulosa: Uglerod nanotasmalarining "kuchliligi" ham haqiqat, ham yo'nalishdir
Uglerod nanotubalari haqiqatan ham "po'latdan 100 baravar kuchli" - bu materialshunoslik sohasidagi konsensus, mustahkam nazariy va eksperimental ma'lumotlar bilan tasdiqlangan. Ushbu xulosani tasdiqlovchi asosiy faktlar:
| Daraja | Asosiy nuqtalar |
|---|---|
| Nazariy | Mukammal uglerod nanotubkasi 200 GPa gacha cho'zilish kuchiga ega bo'lishi mumkin, bu po'latdan 100 baravar ko'proq, zichligi esa po'latning atigi 1/6 qismidir. |
| Eksperimental | Tsinghua universiteti jamoasi 80 GPa dan ortiq kuchlanish kuchiga ega makroskopik uglerod nanotube to'plamlarini tayyorladi. |
| Sanoatlashtirish | Shandong Tanfeng New Material kabi kompaniyalar yuqori{0}}tozalikdagi uglerodli nanotubalarni aerokosmik va yangi energiya vositalari kabi yuqori samarali bozorlarga-tashviq qilmoqda. |
Biroq, bu "kuch" hozirda asosan individual nanotuba darajasida aks ettirilgan. Makroskopik masshtablash global texnik muammo bo'lib qolmoqda. Ajoyib mexanik xususiyatlarga ega uglerod nanotubalaridan makroskopik materiallarni tayyorlashda, valentlik kuchi ko'pincha individual uglerod nanonaychalariga qaraganda ancha past bo'ladi. "Quvurlararo siljish", "konstruktiv nuqsonlar" va "qoldiq stress" kabi muammolarni hal qilish olimlar va kompaniyalar birgalikda ishlayotgan yo'nalishdir.
“Uch-tana muammosi”dagi “nano uchuvchi pichoq”dan tortib, olimlar tasavvur qilgan “kosmik lift”gacha, bugungi kunda roʻy berayotgan aerokosmik yengillashtirishga qadar - uglerod nanotubalari hayratlanarli maʼlumotlar nuqtasidan “poʻlatdan 100 baravar kuchliroq” poʻlatdan “01 baravar kuchli” tomon qadamma-qadam harakatlanmoqda.