سنتز نانولوله‌های کربنی تک‌جداره با قابلیت استفاده در حوزه‌های مختلف

دانشمندان آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (LLNL) در حال افزایش تولید نانولوله‌های کربنی تک جداره عمودی (SWCNT) هستند که می‌تواند محصولات تجاری متنوعی از باتری‌های قابل شارژ، قطعات خودرو و کالا‌های ورزشی گرفته تا بدنه قایق و فیلتر‌های آب را متحول کند. نتایج این تحقیق در مجله Carbon منتشر شده است.

امروزه بیشتر تولیدات CNT در مواد کامپوزیت حجیم و لایه‌های نازک استفاده می‌شود که بر ساختار‌های CNT سازمان‌یافته تکیه دارند. برای بسیاری از کاربردها، معماری‌های CNT سازمان‌یافته مانند جنگل‌های تراز عمودی، مزایای زیادی برای بهره‌برداری از ویژگی‌های CNT‌های در سیستم‌های ماکروسکوپی فراهم می‌کنند.

فرانچسکو فورناسیرو، دانشمند LLNL و نویسنده اصلی این مقاله، گفت: «سنتز نانولوله‌های کربنی تراز شده عمودی در مقیاس بزرگ برای تسریع استقرار دستگاه‌های پیشرفته در کاربرد‌های تجاری نوظهور مورد نیاز است. برای رفع این نیاز، ما نشان دادیم که ویژگی‌های ساختاری نانولوله‌های کربنی تک جداره تولید شده در مقیاس ویفری تغییر نمی‌کند.»

این تیم دریافتند که SWCNT‌های عمودی با افزایش غلظت پیش ماده (کربن اولیه) تا ۳۰ برابر، سطح بستر کاتالیزور از ۱ سانتی‌متر مربع به ۱۸۰ سانتی متر مربع، فشار از ۲۰ تا ۷۹۰ مگابارت و سرعت جریان گاز تا ۸ برابر کیفیت بسیار بالایی را حفظ می‌کنند.»

دانشمندان LLNL مدل سینتیکی را استخراج کردند که نشان می‌دهد می‌توان سینتیک رشد را با استفاده از گاز سبک‌تر برای کمک به انتشار پیش‌ساز، تسریع کرد. این مدل همچنین نشان می‌دهد که انتخاب مناسب دستورالعمل رشد CNT و شرایط دینامیک سیالات می‌تواند توان تولید را ۶ برابر و بازده تبدیل کربن را به بالاتر از ۹۰ درصد افزایش دهد.

این تیم به این نتیجه رسید که عملکرد در یک رژیم رشد که به طور کمی توسط یک مدل سینتیک رشد CNT ساده توصیف می‌شود، می‌تواند بهینه‌سازی فرآیند را تسهیل کند و منجر به استقرار سریع‌تر برنامه‌های کاربردی CNT با تراز عمودی پیشرفته شود.

کاربرد‌های نانولوله‌های کربنی تولید شده شامل باتری‌های لیتیوم یون، رابط‌های حرارتی، تصفیه آب، ابرخازن‌ها، پارچه‌های قابل تنفس و حسگر‌ها است.

سایر نویسندگان LLNL کاتلین مویر-واندربورگ، استیون بوچسبام، اریک مشات، ملیندا جو و کوانگ جن وو هستند. این کار توسط بخش فناوری‌های شیمیایی و بیولوژیکی آژانس کاهش تهدیدات دفاعی تامین مالی می‌شود.