Νανοσωλήνες άνθρακα (σε πολυμερικές μήτρες) Σεμινάριο Φυσικής 2008 Καρακασίλης Δημήτρης ΣΕΜΦΕ ΕΜΠ Υπεύθυνος Καθηγητής : Π. Πίσσης

Τι είναι οι CNTs ; ● Iijima 1991 Φουλερίνα C60

Δομή των CNTs

● Μονοφλοιικοί (SWNT) ● Πολυφλοιικοί (MWNT)

Δομή των CNTs

● Χειρόμορφο διάνυσμα (chiral vector) ● Χειρόμορφη γωνία

Δομή των CNTs Armchair (n,n), θ=30 ο Zig Zag (n,0) ή (0,m), θ=0 ο Chiral (n,m),0 ο <θ<30 ο

Δομή των CNTs (10,10)Armchair (10,5)Chiral

Δομή των CNTs

Ιδιότητες Μέθοδοι ● Μεγάλη αντοχή ● Χαμηλό βάρος ● Σταθερότητα ● Ευκαμψία ● Καλή θερμική αγωγιμότητα ● Μεγάλο εμβαδό επιφανείας ● Αγώγιμοι

Τρόποι παραγωγής Μέθοδοι ● Χημική απόθεση ατμού [CVD (chemical vapor deposition)] ● Εξάτμιση με laser (laser ablation) ● Ηλεκτρικό τόξο εκκένωσης (Arc discharge) Παραλλαγές των μεθόδων με παρουσία καταλυτών (Κοβάλτιο, Νικέλιο, Σίδηρος) μπορούν να δώσουν μονοφλοιικούς νανοσωλήνες.

Καθαρισμός Μέθοδοι ● Χημικές ● Μηχανικές

Εφαρμογές ● Συγκράτηση υδρογόνου (μέχρι και 10% του βάρους τους) ως χημικό καύσιμο. ● Όταν κατορθωθεί ο παραλληλισμός τους μπορεί να έχουν αξία για φωτεινές οθόνες. ● Τρανζίστορ και δίοδοι ● Ενισχυτής σήματος για κινητά τηλέφωνα ● Αποθήκευση ιόντων σε μπαταρίες. ● Σύνθετα υλικά. ● Άλλα ;

Πολυμερή Φυσικά ● Πρωτείνες ● Πολυσακχαρίτες ● Πολυνουκλεοτίδια ● Κεχριμπάρι (amber) ● Φυσικό καουτσούκ Συνθετικά ● Θερμοπλαστικά Πολυαιθυλένιο Νάυλον Πολυστυρένιo ● Θερμοσκληρυνόμενα Βακελίτης Μελαμίνη ● Ελαστομερή Πολυισοπρένιο Πολυβουταδιένιο

Πολυμερή - Ιδιότητες ● Εύκολη μορφοποίηση ● Μικρή θερμική αγωγιμότητα ● Μεγάλος συντελεστής θερμικής διαστολής ● Μεγάλη ελαστικότητα ● Αγώγιμα (πολυακετιλένια, πολυπυρόλες, μελανίνη κ.α.) ● Διηλεκτρικά (PVC, πολυεστέρας κ.α.)

Πολυμερή - Εφαρμογές ● Πλαστικά ● Ελαστομερή ● Ίνες ● Επικαλυπτικά ● Συγκολλητικά

Αγωγιμότητα ● Ορίζεται ως η ικανότητα ενός 'υλικού' να άγει το ηλεκτρικό ρευμα. ● Σ = I / V = 1 / R (I : ρεύμα, V : τάση, R : αντίσταση) ● Μονάδα : Siemens (S)

Σύνθετα Υλικά ● Πολυμερή με νανοσωλήνες παρουσιάζουν σύνθετες ιδιότητες. ● Μικρή συγκέντρωση εγκλεισμάτων σε πολυμερή, δεν αλλάζει τις μηχανικές τους ιδιότητες.

Επίδραση στην αγωγιμότητα Πολυπροπυλένιο (PP) ενισχυμένο με CNTs ● ρ = R S / L = 1 / σ (R: αντίσταση, S : εμβαδό διατομής, L : μήκος)

Επίδραση στην αγωγιμότητα Μήτρα εποξειδικής ρητίνης

Επίδραση στην αγωγιμότητα

Επίδραση στο ιξώδες 1 P = 1 g cm -1 s -1 (cgs) Διαφορετικοί ρυθμοί γωνιακής παραμόρφωσης

Κατώφλι αγωγιμότητας Πόσο καλή είναι η πρόβλεψη της θεωρίας ;

Κατώφλι αγωγιμότητας PVC / CNT : φ c = , t=2.4 PE/CNT : φ c = , t=2.0 t θεωρητικό : 2.0

Κατώφλι αγωγιμότητας D : το μέγεθος των σωματιδίων του πολυμερούς d : το μέγεθος των εγκλεισμάτων n ~ 1 2r : διάμετρος νανοσωλήνων φ : συγκέντωση % κατ'όγκο φ = 3 ⋅ 10 -5

Κατώφλι αγωγιμότητας Οι νανοσωλήνες συγκεντρώνονται στον χώρο μεταξύ των κόκκων του πολυμερούς. Έτσι n >1 και η τιμή του κατωφλίου είναι μεγαλύτερη.

Κατώφλι αγωγιμότητας Ο υπολογισμός του d ~1μm βασίστηκε σε εικόνα μικροσκοπίου κατα προσέγγιση.

Κατώφλι αγωγιμότητας 1. Κατάλληλη επιλογή πολυμερούς Τα άμορφα πολυμερή και οι εποξειδικές ρητίνες συνήθως δίνουν χαμηλότερο κατώφλι αγωγιμότητας. 2. Κατάλληλη επιλογή CNTs Μεγάλος αξονικός λόγος (aspect ratio) νανοσωλήνων δίνει μικρό κατώφλι αγωγιμότητας. 3. Διασπορά των CNTs 4. Μορφολογία σύνθετου (skeleton like structure)

Βιβλιογραφία ● Conductive polymer composites with ultralow percolation threshold containing carbon nanotubes(YE.P. MAMUNYA, N.I. LEBOVKA, M.O.LISUNOVA, E.V. LEBEDEV, A. RYBAK, G. BOITEUX) ● Encyclopedia of Materials : Science and Technology (ISBN: ) ● ● ● ● ● ● Polymer Nanocomposites Containing Carbon Nanotubes (Mohammad Moniruzzaman and Karen I. Winey)