Karbon Nanotüp Nedir?
Nano kelimesini bundan 10-15 yıl önce kullanılsa ” yahu o nedir kardeşim gavurca mı konuşuyorsun” denirdi. Fakat 2020’li yıllara yaklaştığımız bugünlerde artık herkesin aşına olduğu hatta üzerinde “nano” ibaresi bulunan ürünün kaliteli olduğunu düşündüren bir kelime oldu. İşte tamda bu kelimeye anlamını veren yapılardan biri karbon nanotüpler (CNT’ler) günümüzde en yoğun olarak araştırılan nano ölçekli malzemedir.
Boru şeklindeki olan CNT materyali 1991 yılında fulerinlerin ark boşalması buharlaştırılma yöntemiyle üretilmesi sırasında Iijima [1] tarafından bulundu. Çapları birkaç nanometreyken uzunlukları milimetre boyutunda olabilmektedir. En boy oranları milyonlarca kat olabilen yapıda malzemelerdir. Iijima tarafından bulunan ilk karbon nanotüpler, çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) olarak adlandırıldı. İki yıl sonra yine Iijima ve arkadaşları tarafından tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT) sentezlendi[2].
Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler (SWCNT’ler)
Yuvarlanmış tek bir grafen tabaka, tek duvarlı karbon nanotüp (SWCNT) olarak tanımlanmaktadır. SWCNT yapıları, Şekil 1 [5] ‘de görüldüğü gibi, zikzak bir yapı, koltuk yapısı ve şiral veya sarmal yapıya sahip olabilir. Ek olarak, SWCNT’ler 1-2 nm [4] ve çeşitli mikron uzunlukları [5] arasında değişen çapları sergiler.
Çok Duvarlı Karbon Nanotüpler (MWCNT’ler)
MWCNT’ler, 2 ila 25 nm [4] ve çeşitli mikron uzunlukları olan dış çaplara sahip içi boş bir çekirdek (Şekil 2) boyunca iki veya daha fazla eş merkezli silindirik grafen tabakalarından oluşan bir eş eksenli diziden oluşur. Grafen tabakalarının tek tek silindirik katmanları, van der Waals kuvvetleri ile etkileşime girer. Bununla birlikte, MWCNT’lerin her bir tabakasının eğriliği, zayıf van der Waals kuvvetlerine yol açar, böylece komşu MMNT katmanlarının (0.34 nm) ara katman aralığı, üç boyutlu kristal grafit (0.335 nm) ‘den daha büyüktür. Ek olarak, her bir MWCNT katmanı farklı kiraliteler sergileyebilir [3].
CNT üretmek için üç ana yöntem vardır; ark-deşarji, lazer ablasyon ve kimyasal buhar biriktirme (CVD). CVD metodu, üretim maliyetinin düşük olması nedeniyle ark-deşarj ve lazer ablasyonuna göre sanayi ölçeğinde MWCNT’ler üretmek için en yaygın yöntemdir [5].
Karbon Nanotüplerin Özellikleri
CNT’ler çok yüksek mekanik özelliklere sahiptir. Bireysel MWCNT’ler için 1 TPa’ya yaklaşan bir elastik modül ve 100 GPa’lık bir gerilme kuvvetine ulaşabilirler. [8] Bu mukavemet, herhangi bir endüstriyel elyafınkinden daha yüksektir. Bireysel CNT duvarları, kiralitesine bağlı olarak metalik veya yarı iletken olabilirler. MWCNT’ler normalde metaliktir ve 109 A cm-2‘ye kadar akım kapasitesine sahiptir.
CNT’lerin bazı önemli ve benzersiz özellikleri şöyle sıralanabilir[12];
- Yaklaşık 1000 m2 / g geniş yüzey alanına sahiptir.
- Çok yüksek sıcaklık kararlılığına sahiptirler (havada 800 oC’ye kadar).
- CNT’lerin kimyasal stabilitesi mükemmeldir.
- CNT’ler diyamanyetiktir ve belirgin bir anizotropi duyarlılığı göstermektedir.
- Tüplerin çapına ve simetrisine güçlü bir şekilde bağlı olan doğrusal olmayan optik özelliklere sahiptirler.
- CNT’lerin mekanik mukavemeti ve rijitliği bilinen herhangi bir malzemeyle karşılaştırıldığında istisnai bir durumdur. Young’ın SWNT modülü ~ 1 TPa iken, MWNT’nin değeri ~1.28 T Pa’dır. CNT’ler için ~30 GPa’lık bir maxilim gerilme mukavemeti bildirilmiştir.
- CNT’ler mükemmel elektriksel özelliklere sahiptir. Özdirenç değeri 10-4 Ω cm’dir .
- CNT’lerin termik iletkenliği ~ 2000 /m/ K’dir .
Aşağıdaki tablo [6] bir kaç karbon malzemesinin bazı özelliklerinin kıyaslamasını görebilirsiniz.
| Özellik | Grafit | Elmas | Fulerin | SWCNT | MWCNT |
| Spesifik yer çekimi (g/cm3) | 1,9-2,3 | 3.5 | 1,7 | 0,8 | 1,8 |
| Elektrik iletkenliği (S/cm) | 4000(p), 3,3 (c) | 10-2-10-15 | 10-5 | 102-106 | 103-105 |
| Termal iletkenlik (W/(Mk)) | 298 (p), 2,2 (c) | 900-2320 | 0,4 | 6000 | 2000 |
| Termal genleşme katsaysı (K-1) | -1×10-6 (p)
2,9×10-5 (c) |
(1~3)x10-6 | 6,2×10-5 | İhmal | İhmal |
| Havadaki termal kararlılık (OC) | 450-650 | <600 | ~600 | 600 | 600 |
| p: düzlemde; c: c ekseni | |||||
Karbon Nanotüplerin Uygulama Alanları
CNT’ler, özellikle elektrik ve termal özelliklerde, diğer karbon malzemelerden daha avantajlıdır. Bu özellikler, kompozitler, enerji depolama, biyoteknoloji, kaplamalar ve filmler, lifler, aerojeller ve mikroelektronik [7] gibi çok çeşitli alanlarda geniş uygulama alanları için büyük bir potansiyel sahiptirler. CNT’ler küçük boyutları nedeniyle ele alınması zordur, bu yüzden genellikle kompozit malzemeler oluşturmak için kullanılırlar.
Son yıllarda birçok CNT / polimer kompozit araştırması ve geliştirmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.[9] CNT’ler kurşun geçirmez yelekler, uçak ve otomotiv endüstrisinde kullanılan yüksek performanslı kompozitler, [9] ince film transistörlerinin uygulaması olan esnek elektronikler, organik EL ekranlar için esnek elektrotlar, şarj edilebilir piller için elektrotlar, kimyasal ve biyo sensörler, aktüatörler ve suni kaslar, hidrojen depolama cihazları, süper kapasitörler [12] ve gerdirilebilir iletkenlerde kullanılan ultra güçlü materyaller gibi çeşitli alanlarda kullanılabilir. Ayrıca karbon nanotüp takviyeli kompozitler alev geciktirici performans, geliştirilmiş elektriksel iletkenlik [10] ve elektrostatik şarj davranışı, optik yayıcı cihazlar ve hafif, yüksek mukavemetli kompozit malzemeler için incelenmiştir.
Kaynaklar:
[1] Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 1991, 354, 56 58.
[2] Iijima, S., Ichihashi, T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature, 1993, 363, 603-605.
[3] Mani, G., Fan, Q., Ugbolue, S. C. and Yang, Y., Morphological studies of polypropylene-nanoclay composites. Journal of Applied Polymer Science, 2005. 97: p. 218-226.
[4] Luo, H., Shi, Z., Li, N., Gu, Z. and Zhuang, Q., Investigation of the electrochemical and electrocatalytic behavior of single-wall carbon nanotube film on a glassy carbon electrode. Analytical Chemistry, 2001. 73(5): p. 915- 920.
[5] Thiraphattaraphun, L., Structure/Property Relationships in Polypropylene Nanocomposites, School of Materials, 2013
[6] Ma, P.-C., Siddiqui, N.A., Marom, G., Kim, J.-K. Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites: A review. Compos. Part A, 2010, 41, 1345-1367.
[7] Wang, M., Native Cellulose Nanofibril-based Functional Materials., Department of Applied Physics, PhD, Helsinki 2016.
[8] Peng, B., Locascio, M., Zapol, P., Li, S., Mielke, S.L., Schatz, G.C., Espinosa, H.D. Measurements of near-ultimate strength for multiwalled carbon nanotubes and irradiation-induced crosslinking improvements. Nat. Nanotechnol., 2008, 3, 626-631.
[9] Byrne, M. T., Gun’ko, Y. K. Adv. Mater. 2010, 22, 1672−1688.
[10] Wong, M., Paramsothy, M., Xu, X.J., Ren,Y., Li, S., Liao, K. Physical interactions at carbon nanotube-polymer interface. Polymer 2003, 44 7757-7764.
[11] Vilas S. Karande, Polymer Composites Based on Cellulosics Nanomaterials, Thesis, 2013
[12] Rajiv N. Sangoi, Nanocomposites based on carbon nanotubes and poly (3-alkylthiophenes) for sensor and charge storage applications,Theses,Rochester Institute of Technology,2003
