پیشرفت ذخیره‌سازی انرژی: سیم‌های جدید نانولوله کربنی با رکورد رسانایی

محققان در چین نانولوله کربنی بسیار مقاومی ایجاد کرده‌اند که ادعا می‌کند رکورد رسانایی را شکسته است.

الیاف نانولوله کربنی دوجداره (DWCNTFs) با استفاده از روش 'چرخش خشک-تر' ساخته می‌شوند. این تکنیک به طور قابل توجهی تراز و چگالی نانولوله‌های کربنی را بهبود می‌بخشد.

نتیجه این الیاف دارای رسانایی الکتریکی رکوردی 1.1 × 10⁷ S/m و می‌توانند تراکم جریان بالا 8.0 × 10⁸ A/m² را تحمل کنند. آنها همچنین دارای استحکام کششی قوی 1.65 GPa و چقرمگی 130.9 MJ/m³ هستند که در میان بهترین‌ها برای الیاف نانولوله کربنی تر چرخشی است.

براساس تیم موجود در آزمایشگاه ملی علم مواد در شنیانگ، این ماده ممکن است در صنایع فضایی و سایر صنایع حیاتی، از جمله ذخیره‌سازی انرژی استفاده شود.

نوآوری پیشرفته در الیاف نانولوله کربنی

الیاف با عملکرد بالا و دارای رسانایی الکتریکی عالی، استحکام و چقرمگی برای جایگزینی مس معمولی در کاربردهای مختلف مورد نیاز هستند.

نانولوله‌های کربنی (CNTs) به دلیل ویژگی‌های محکم خود ایده‌آل هستند، اما این مزایا هنگام تبدیل شدن به الیاف بزرگ کاهش می‌یابد.

براساس پژوهشگران، چرخش تر، یک روش معمول برای ساخت الیاف نانولوله کربنی، رسانایی بالا و استحکام منطقی به دست می‌آورد اما هنوز نسبت به نانولوله‌های منفرد به دلیل مقاومت تماس و تعاملات ضعیف بین آنها کاهش می‌یابد.

تراز و بسته‌بندی نانولوله‌های کربنی عوامل کلیدی تاثیرگذار بر عملکرد الیاف هستند. ترک‌هایی که در طول تولید الیاف از انتشار غیر یکنواخت در حمام ایجاد می‌شوند نیز با ایجاد منافذ نامنظم عملکرد را کاهش می‌دهند.
برای رفع این چالش‌ها، محققان الیاف نانولوله کربنی را با استفاده از روش پیشرفته 'چرخش خشک-تر' بهبود بخشیدند. این تکنیک با تراز بهتر پلیمرها و کاهش ترک‌ها، کیفیت الیاف را بهبود می‌دهد، اما تاکنون برای نانولوله‌های کربنی استفاده نشده بود.

در این مطالعه، محققان از این روش برای ساخت DWCNTFs با رسانایی و تراکم بالا استفاده کردند. آنها به طور موفقیت‌آمیز نانولوله‌های دوجداره با وزن مولکولی بالا و با یک گپ هوایی پایدار چرخیدند، که تراز و چگالی بسیار عالی را به دست آوردند.

براساس تیم، DWCNTFs دارای یک فاکتور تراز 0.994 بالا و چگالی 1.96 g/cm³ هستند.

رسانایی رکوردی نانولوله کربنی

پژوهش تیم نشان می‌دهد که الیاف آنها به رسانایی الکتریکی رکورد بالایی دست یافته‌اند، که به 86 درصد رسانایی مس، یک معیار برای عملکرد الکتریکی عالی، می‌رسد.

علاوه بر رسانایی چشمگیر خود، الیاف دارای استحکام کششی 1.65 گیگاپاسکال (GPa) هستند، که یکی از بالاترین الیاف تولید شده توسط این روش است.

محققان همچنین دوام الیاف را ارزیابی کرده و دریافتند که همپارچگی و رسانایی آنها بعد از بیش از 5000 چرخه خمیدگی باقی می‌ماند.

براساس تیم، بهبود عملکرد الیاف به مشکلات قبلی مرتبط با مقاومت تماس و تعاملات ضعیف بین لوله‌ها پرداخته و بهبود قابل توجهی در فناوری الیاف نانولوله کربنی فراهم کرده است که روزنامه South China Morning Post ( SCMP ) گزارش می‌دهد.

الیاف کربن در حال حاضر استاندارد مواد با عملکرد بالا در بخش‌های پیشرفته مانند هوافضا هستند، با ایرباس و بوئینگ که به استفاده از کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف کربن در ماژول‌های هواپیما خود ادامه می‌دهند.

اما نانولوله‌های کربنی شاید عملکرد بهتری نسبت به الیاف کربن داشته باشند، که بازدهی بیشتری را فراهم کرده و مسیرهای جدیدی برای استفاده مانند ذخیره‌سازی انرژی و آسانسورهای فضایی باز می‌کنند.

نانولوله‌های کربنی، همچنین به عنوان بکی‌تیوب‌ها شناخته می‌شوند، از زمان کشفشان در سال 1991 به عنوان یکی از مواد انقلابی‌ترین شناخته شده‌اند. پژوهشگران بیش از 20 سال است که خروجی آنها را بهبود می‌بخشند، و چین در خط مقدم هر دو تحقیق و بهینه‌سازی است، براساس SCMP.

گروه شنیانگ فرآیند چرخش را با ایجاد یک دستگاه جدید که نانولوله‌ها را با دقت بیشتری فشرده کرده و تراز می‌دهد، بهبود بخشیده است.

جزئیات تحقیق تیم در مجله مواد کاربردی پیشرفته منتشر شده است.