นาโนโทปคาร์บอนแข็งแกร่งกว่าเหล็กจริง ๆ 100 เท่าหรือไม่?

ท่อนาโนคาร์บอนแข็งแรงกว่าเหล็กถึง 100 เท่าจริงหรือ? คำตอบคือใช่ ความต้านทานแรงดึงตามทฤษฎีของท่อนาโนคาร์บอนสามารถสูงถึง 50-200 GPa ซึ่งเป็น 100 เท่าของเหล็กธรรมดาที่มีปริมาตรเท่ากัน โดยมีความหนาแน่นเพียง 1/6 ของเหล็ก การรวมกันของ "น้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง" นี้มาจากโครงสร้างพันธะโควาเลนต์ที่เสถียรระหว่างอะตอมของคาร์บอน อย่างไรก็ตาม การขยายขนาดประสิทธิภาพที่โดดเด่นของหลอดเดียวให้เป็นวัสดุขนาดมหึมา (เช่น เส้นใยหรือสายเคเบิล) ยังคงเป็นความท้าทายระดับโลก: ท่อนาโนคาร์บอนมีความยาวสั้น มีแนวโน้มที่จะเลื่อน และความแข็งแรงที่วัดได้นั้นต่ำกว่าค่าทางทฤษฎีมาก ในฐานะผู้ผลิต Shandong Tanfeng New Material มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการเตรียม CVD เพื่อส่งเสริมการใช้ท่อนาโนคาร์บอนในสาขาที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น การบินและอวกาศ

1. คำกล่าวอ้าง "แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่า" มาจากไหน?

บทสรุป:คำกล่าวอ้างที่ว่าท่อนาโนคาร์บอน "แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่า" มีพื้นฐานทางทฤษฎี - ความต้านทานแรงดึงของท่อนาโนคาร์บอนที่สมบูรณ์แบบเส้นเดียวสามารถสูงถึง 50-200 GPa เทียบกับประมาณ 0.4-1.5 GPa สำหรับเหล็กธรรมดา ความแตกต่างคือขนาดสองลำดับความสำคัญ

"ท่อนาโนคาร์บอนที่บางกว่าเส้นผมมนุษย์สามารถยกรถยนต์ได้" - ข้อความนี้ฟังดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ แต่จริงๆ แล้วมีพื้นฐานมาจากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ที่มั่นคง

ความลับของความแข็งแกร่งของท่อนาโนคาร์บอนอยู่ที่ "โครงกระดูก" ท่อนาโนคาร์บอนประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ C=C ทำให้เกิดโครงสร้างรังผึ้งหกเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ ในการแตกท่อนาโนคาร์บอน พันธะคาร์บอน-เหล่านี้จะต้องถูกทำลาย - ซึ่งต้องใช้พลังงานสูงมาก ความแข็งแรงทางทฤษฎีของท่อนาโนคาร์บอนสามารถมีมากกว่าเหล็กถึง 100 เท่า ในขณะที่ความหนาแน่นของมันต่ำมากเพียง 1/6 ของเหล็กเท่านั้น

ลองดูการเปรียบเทียบข้อมูลโดยละเอียด:

เนื่องจากตัวเลขเหล่านี้ ท่อนาโนคาร์บอนจึงได้รับการยกย่องว่าเป็น "ซุปเปอร์ไฟเบอร์" และเป็น "ความมหัศจรรย์ของวัสดุแห่งศตวรรษที่ 21-"

2. ทำไมบางคนถึงพูดว่า "ท่อนาโนคาร์บอนไม่แข็งแรงขนาดนั้น"

บทสรุป:ช่องว่างอยู่ในขั้นตอน "ขยายขนาด" - ท่อนาโนคาร์บอนแต่ละท่อมีความแข็งแรงมาก แต่เมื่อประกอบเข้าด้วยกันเป็นวัสดุที่มองเห็นด้วยตาเปล่า (เช่น เส้นใยหรือฟิล์ม) ความแข็งแรงจะลดลงอย่างมาก นี่คือคอขวดทางเทคนิคหลักในปัจจุบัน

เนื่องจากในทางทฤษฎีแล้วท่อนาโนคาร์บอนมีความแข็งแรงมาก ทำไมเราไม่เห็น "เชือกท่อนาโนคาร์บอน" เข้ามาแทนที่สายเคเบิลเหล็กในชีวิตประจำวันของเราเลย เหตุใด "ใบมีดนาโน" จาก "The Three-Body Problem" จึงยังไม่กลายเป็นผลิตภัณฑ์จริง

คำตอบคือ: มีช่องว่างทางวิศวกรรมขนาดใหญ่ระหว่าง "หนึ่งหลอด" และ "มัด"

ในความเป็นจริง การสร้าง 'ใบมีดนาโนบิน' เป็นเรื่องยากมาก ด้วยกระบวนการทางเทคนิคในปัจจุบัน เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างโครงสร้างการจัดเรียงอะตอมที่สมบูรณ์แบบในระยะยาว- 'ใบมีดบินนาโน' มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงหนึ่งนาโนเมตร แต่มีความยาวหลายร้อยเมตร ซึ่งเทียบเท่ากับเชือกที่มีความหนา 1 มิลลิเมตร ต้องมีความยาว 1 ล้านเมตร โดยที่เชือกต้องไม่มีตำหนิ

แม้ว่าจะได้ท่อนาโนคาร์บอนที่ยาวพิเศษ-เซนติเมตร เมื่อนำมารวมกันเป็นมัดแล้ว ความต้านทานแรงดึงยังคงต่ำกว่าท่อนาโนคาร์บอนแต่ละอันมาก เหตุผลมีหลายแง่มุม:

ทีมงานจากมหาวิทยาลัย Tsinghua ค้นพบว่ากลยุทธ์ "การผ่อนคลายพร้อมกัน" - การตัดครั้งแรกเพื่อคลายความเครียดที่ตกค้าง จากนั้นการยืด - อาจเพิ่มความแข็งแรงของมัดให้สูงกว่า 80 GPa นี่เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญอยู่แล้ว แต่ยังคงมีช่องว่างจากขีดจำกัดทางทฤษฎีของท่อนาโนคาร์บอน (ประมาณ 200 GPa) และระยะห่างที่มากยิ่งขึ้นจากการใช้งานขั้นสุดท้าย เช่น "สายเคเบิลลิฟต์อวกาศ"

3. อะไรทำให้นาโนโทปคาร์บอน "แข็งแกร่ง" นอกจากความแข็งแกร่งแล้วมีคุณสมบัติอื่นใดอีกบ้าง?

บทสรุป:ท่อนาโนคาร์บอนไม่เพียงแต่ "แข็งแรง" แต่ยัง "ทนทาน" "เบา" และ "แข็ง" - ซึ่งรวมเอาความแข็งแรงสูง ความเหนียวสูง น้ำหนักเบา และความแข็งสูงเข้าด้วยกัน คุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมนั้นไม่มีใครเทียบได้ในบรรดาวัสดุที่รู้จักทั้งหมด

หลายๆ คนคิดว่าท่อนาโนคาร์บอนมี "ความแข็งแรงสูง" เท่านั้น แต่ "ความสามารถรอบด้าน" ของท่อนาโนคาร์บอนถือเป็นลักษณะที่น่าทึ่งที่สุดจริงๆ

1. ความเหนียวสูง : แข็งแรงแต่ไม่เปราะ
ท่อนาโนคาร์บอนต่างจากเพชรตรงที่แข็งแต่ก็ยืดหยุ่นได้เช่นกัน เมื่อดัดท่อนาโนคาร์บอนหรือใช้แรงกดตามแนวแกน แม้ว่าแรงภายนอกจะเกินขีดจำกัดความแข็งแรงของออยเลอร์ ท่อนาโนคาร์บอนจะไม่แตกหัก แต่กลับเกิดการโค้งงอขนาดใหญ่- เมื่อแรงภายนอกถูกปล่อยออกมา ท่อนาโนคาร์บอนจะกลับสู่รูปร่างเดิม การยืดตัวสูงสุดตามทฤษฎีสามารถเข้าถึงได้ถึง 20%

2. ความแข็งสูง: เทียบได้กับเพชร
ความแข็งของท่อนาโนคาร์บอนเทียบได้กับความแข็งของเพชร ซึ่งหมายความว่าสามารถแสดงความต้านทานการสึกหรอได้สูงมากในการทดสอบรอยขีดข่วน ในขณะเดียวกันก็ทนต่อการเสียรูปของแรงดึง - ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่าง "แข็งและเหนียว" ซึ่งหาได้ยากมาก

3. ความหนาแน่นของแสงพิเศษ-: 1/6 ของเหล็ก
ความหนาแน่นของท่อนาโนคาร์บอนอยู่ที่ 1.3-2.0 g/cm³ เท่านั้น ซึ่งเบากว่าอะลูมิเนียมด้วยซ้ำ สิ่งนี้ทำให้มี "ความแข็งแกร่งจำเพาะ" ที่สูงมาก - ความสามารถในการรับน้ำหนักต่อหน่วยน้ำหนัก

4. จากนิยายวิทยาศาสตร์สู่ความเป็นจริง: ใครเป็นผู้ขับเคลื่อน "การปฏิวัติอันแข็งแกร่ง" นี้

บทสรุป:นักวิทยาศาสตร์และบริษัทชาวจีนกำลังทำงานร่วมกัน - มหาวิทยาลัย เช่น Tsinghua กำลังประสบความสำเร็จในการเตรียมท่อนาโนคาร์บอนที่ "ยาวเป็นพิเศษ" และ "แข็งแกร่งมาก" -" ในขณะที่บริษัทต่างๆ เช่น Shandong Tanfeng New Material กำลังส่งเสริมการใช้งานเชิงพาณิชย์ของตน

บนเส้นทางจากห้องปฏิบัติการสู่การพัฒนาอุตสาหกรรมสำหรับท่อนาโนคาร์บอน ทีมงานจากจีนอยู่ในแนวหน้าของโลก

ขอบเขตการวิจัยทางวิทยาศาสตร์: ความก้าวหน้าที่มหาวิทยาลัยซิงหัว

ในปี 2018 พวกเขาตีพิมพ์บทความในนาโนเทคโนโลยีธรรมชาติรายงานมัดท่อนาโนคาร์บอนที่มีความต้านทานแรงดึงเกิน 80 GPa

ในปี 2020 พวกเขาตีพิมพ์บทความในศาสตร์แสดงให้เห็นการทดลองว่าท่อนาโนคาร์บอนสามารถยืดออกได้อย่างต่อเนื่องหลายร้อยล้านครั้งโดยไม่แตกหัก

ความสำเร็จเหล่านี้ได้วางรากฐานด้านวัสดุที่มั่นคงสำหรับการใช้งานทางวิศวกรรมของท่อนาโนคาร์บอน

การใช้งานทางอุตสาหกรรม: เค้าโครงของวัสดุใหม่ Tanfeng ของมณฑลซานตง
การเปลี่ยน "ความแข็งแกร่งขั้นสุดยอด" ของท่อนาโนคาร์บอนให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่แท้จริงนั้น บริษัทต่างๆ จะต้องเชี่ยวชาญเทคโนโลยีการผลิตขนาดใหญ่-ของท่อนาโนคาร์บอนคุณภาพสูง- มณฑลซานตง Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. เป็นหนึ่งในผู้ปฏิบัติงานในสาขานี้

ผลิตภัณฑ์หลักของ Tanfeng New Material ได้แก่ ท่อนาโนคาร์บอน-ผนังเดี่ยว, ท่อนาโนคาร์บอนผนังหลาย- วัสดุซิลิคอน-แอโนดคาร์บอน และเพสต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ความสามารถหลักคือ:

ในสาขาการบินและอวกาศ ท่อนาโนคาร์บอนสามารถใช้ในการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างลำตัวน้ำหนักเบาได้

ในการขนส่งทางรถไฟ สามารถใช้เพื่อลดน้ำหนักตัวยานพาหนะได้ในขณะที่ยังคงความแข็งแกร่งด้านความปลอดภัย

ในด้านพลังงานลม สามารถใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานความล้าของใบมีดขนาดยักษ์ - ทั้งหมดนี้ล้วนเป็นการใช้งานคุณสมบัติ "แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่า" ของท่อนาโนคาร์บอน

สรุป: "ความแข็งแกร่ง" ของเทปนาโนคาร์บอนเป็นทั้งข้อเท็จจริงและทิศทาง

ท่อนาโนคาร์บอน "แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่า" จริงๆ - นี่เป็นความเห็นพ้องต้องกันในสาขาวัสดุศาสตร์ โดยได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลทางทฤษฎีและการทดลองที่ชัดเจน ข้อเท็จจริงสำคัญที่สนับสนุนข้อสรุปนี้ ได้แก่:

อย่างไรก็ตาม "ความแข็งแกร่ง" นี้ในปัจจุบันสะท้อนให้เห็นในระดับนาโนทิวบ์แต่ละตัวเป็นหลัก การขยายขนาดด้วยตาเปล่ายังคงเป็นความท้าทายทางเทคนิคระดับโลก เมื่อเตรียมวัสดุที่มองเห็นด้วยตาเปล่าจากท่อนาโนคาร์บอนที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม ความต้านทานแรงดึงมักจะต่ำกว่าค่าความต้านทานแรงดึงของท่อนาโนคาร์บอนแต่ละตัวมาก การแก้ปัญหา เช่น "ท่อเลื่อนระหว่าง-" "ข้อบกพร่องของโครงสร้าง" และ "ความเค้นตกค้าง" ถือเป็นแนวทางที่นักวิทยาศาสตร์และบริษัทต่างๆ กำลังร่วมกันดำเนินการ

ตั้งแต่ "ใบมีดนาโนบิน" ใน "The Three-Body Problem" ไปจนถึง "ลิฟต์อวกาศ" ที่นักวิทยาศาสตร์จินตนาการไว้ ไปจนถึงการลดน้ำหนักของการบินและอวกาศที่เกิดขึ้นในปัจจุบัน - ท่อนาโนคาร์บอนกำลังเคลื่อนไปทีละขั้นจากจุดข้อมูลอันน่าทึ่ง "แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่า" สู่ความเป็นจริงทางวิศวกรรม "แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 100 เท่าอย่างแท้จริง"