कार्बन नैनोट्यूब कितने हल्के हैं?

कार्बन नैनोट्यूब सबसे हल्के ज्ञात सामग्रियों में से हैं, जिनका घनत्व केवल 1.3-2.1 ग्राम/सेमी³ है, जो स्टील (7.9 ग्राम/सेमी³) और एल्यूमीनियम (2.7 ग्राम/सेमी³) की तुलना में बहुत कम है। इसका मतलब यह है कि समान आयतन के लिए, कार्बन नैनोट्यूब का वजन स्टील का केवल 1/6 और एल्यूमीनियम का 1/2 है। इससे भी अधिक आश्चर्य की बात यह है कि यद्यपि कार्बन नैनोट्यूब एल्युमीनियम की तुलना में हल्के होते हैं, उनकी तन्य शक्ति स्टील की तुलना में 100 गुना होती है - "हल्का फिर भी मजबूत" का संयोजन जो प्रकृति में अत्यंत दुर्लभ है। कार्बन नैनोट्यूब कंपोजिट ने पहले ही विमानन और ऑटोमोटिव उद्योगों में वजन में 40% की कमी और ईंधन दक्षता में 20-25% का सुधार हासिल कर लिया है। शेडोंग टैनफेंग न्यू मटेरियल इस "पंख की तरह हल्का, स्टील की तरह मजबूत" सुपर-मटेरियल के औद्योगीकरण को बढ़ावा दे रहा है।

1. कार्बन नैनोट्यूब कितने हल्के हैं? संख्याओं का एक सेट आपको बताता है

निष्कर्ष:कार्बन नैनोट्यूब का घनत्व लगभग 1.3-2.1 ग्राम/सेमी³ है, जो एल्यूमीनियम से हल्का है और स्टील से केवल 1/6 है।

सबसे पहले, आइए कठिन डेटा देखें। अमेरिकी ऊर्जा विभाग के तहत एक प्रयोगशाला के अकादमिक साहित्य के अनुसार, कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) कंपोजिट का विशिष्ट घनत्व 1.3 ग्राम/सेमी³ है। घरेलू उत्पाद डेटा भी परिमाण के इस क्रम की पुष्टि करता है - कुछ वाणिज्यिक उत्पादों का वास्तविक घनत्व लगभग 2 ग्राम/सेमी³ है, जबकि नल का घनत्व केवल 0.18 ग्राम/सेमी³ है। संक्षेप में कहें तो, कार्बन नैनोट्यूब पाउडर का स्पष्ट घनत्व लगभग 1.3-2.1 ग्राम/सेमी³ की सीमा में होता है।

इस "हल्केपन" का क्या मतलब है? आइए इसकी तुलना उच्च प्रदर्शन वाली धातुओं से करें जिनसे हम दैनिक जीवन में परिचित हैं:

एक सहज उदाहरण देने के लिए: एक साधारण कार व्हील हब, यदि कार्बन नैनोट्यूब मिश्रित सामग्री से बना है, तो इसका वजन 20 जिन (लगभग 10 किलोग्राम) से 5-6 जिन (लगभग 2.5-3 किलोग्राम) तक गिर सकता है। आप इसे एक हाथ से आसानी से उठा सकते हैं।

2. कार्बन नैनोट्यूब इतने हल्के क्यों होते हैं? रहस्य उनके "नैनोस्केल चित्र" में छिपा है

निष्कर्ष:कार्बन नैनोट्यूब की अल्ट्रा{0}प्रकाश विशेषता उनकी अद्वितीय सूक्ष्म संरचना से उत्पन्न होती है - कार्बन परमाणु एक हेक्सागोनल मधुकोश पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, जो एक खोखली "नैनोस्केल ट्यूब" बनाने के लिए एक चक्र बनाते हैं, जिसका आंतरिक भाग लगभग पूरी तरह से खाली होता है।

एक कार्बन नैनोट्यूब अनिवार्य रूप से एक "ट्यूब" है, और नैनोस्केल पर एक ट्यूब है।

इसकी सूक्ष्म संरचना इस प्रकार है: कार्बन परमाणु सहसंयोजक बंधों के माध्यम से एक-दूसरे से जुड़े होते हैं, जिससे एक स्थिर छह-सदस्यीय रिंग ग्राफीन शीट बनती है, और फिर इस ग्राफीन शीट को एक सिलेंडर में "लुढ़का" दिया जाता है। यह सिलेंडर खोखला है - इसके अंदर कोई परमाणु नहीं है, केवल हवा या निर्वात है। एक परत को रोल करने से एक एकल दीवारयुक्त कार्बन नैनोट्यूब (SWCNT) बनता है; कई परतों को रोल करने से एक बहु-दीवार वाली कार्बन नैनोट्यूब (MWCNT) बनती है, जिसमें लगभग 0.34 एनएम की इंटरलेयर रिक्ति होती है।

किसी सामग्री का वजन मापने की कुंजी: घनत्व=द्रव्यमान/आयतन

धातुएँ परमाणुओं से भरी होती हैं, सघन रूप से पैक होती हैं, इसलिए वे भारी होती हैं। कार्बन नैनोट्यूब का खोल कार्बन परमाणुओं से बना होता है (कार्बन परमाणु लोहे या एल्यूमीनियम परमाणुओं की तुलना में बहुत हल्के होते हैं), आंतरिक भाग खाली होता है, और खोल बेहद पतला होता है - इस प्रकार, प्रति इकाई आयतन में बहुत कम सामग्री होती है, इसलिए यह स्वाभाविक रूप से हल्का होता है।

रसोई सादृश्य का उपयोग करना:एक धातु स्पैटुला ठोस और भारी होता है; खोखला पीने का पुआल हल्का होता है क्योंकि इसकी सतह पर केवल एक पतली दीवार होती है। कार्बन नैनोट्यूब "खोखले पेय पदार्थ" का आणविक संस्करण है।

3. वास्तव में आश्चर्यजनक चीज़ "हल्कापन" नहीं है, बल्कि "प्रकाश फिर भी मजबूत" संयोजन है

निष्कर्ष:कार्बन नैनोट्यूब की विशिष्ट ताकत 500 MPa·cm³/g तक पहुंच जाती है, जो स्टील, एल्यूमीनियम और टाइटेनियम जैसी पारंपरिक धातुओं से कहीं अधिक है, जो इसे ज्ञात इंजीनियरिंग सामग्रियों में सबसे अधिक बनाती है।

यदि यह केवल "हल्का" होता, तो यह विशेष नहीं होता - फोम प्लास्टिक भी बहुत हल्का होता है, लेकिन यह आसानी से कुचल जाता है। जो चीज़ वास्तव में कार्बन नैनोट्यूब को आश्चर्यजनक बनाती है वह यह है कि हवा की तरह हल्के होने के साथ-साथ वे अविश्वसनीय रूप से मजबूत भी होते हैं।

जैसा कि हमने पिछले लेख में विस्तार से विश्लेषण किया था: कार्बन नैनोट्यूब की तन्यता ताकत 50 - 200 GPa तक पहुंच सकती है, जो स्टील की तुलना में 100 गुना है। जब इस डेटा को "हल्केपन" के आयाम से गुणा किया जाता है, तो हमें एक मीट्रिक मिलती है जो इंजीनियरों को पागल कर देती है - विशिष्ट शक्ति (शक्ति ÷ घनत्व)।

तुलनात्मक डेटा के इस सेट पर एक नज़र डालें:

विशिष्ट शक्ति जितनी अधिक होगी, किसी दिए गए भार के लिए भार वहन करने की क्षमता उतनी ही अधिक होगी। कार्बन नैनोट्यूब (500) की विशिष्ट ताकत स्टील की तुलना में लगभग 10 गुना है (51) - समान वजन के कार्बन नैनोट्यूब से बनी रस्सी स्टील वायर रस्सी का लगभग 10 गुना भार सहन कर सकती है।

यही कारण है कि वैज्ञानिकों ने अंतरिक्ष लिफ्ट बनाने के लिए कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करने की कल्पना की है - क्योंकि केवल एक सामग्री जो "पंख की तरह हल्की, स्टील की तरह मजबूत" है, संभवतः पृथ्वी से अंतरिक्ष तक फैली एक केबल बना सकती है।

4. "लाइटनेस" द्वारा लाई गई औद्योगिक क्रांति: 40% वजन में कमी, 25% ईंधन की बचत

निष्कर्ष:कार्बन नैनोट्यूब कंपोजिट ने पहले ही एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव उद्योगों में 40% तक वजन घटाने का प्रभाव हासिल कर लिया है, जिसका सीधा मतलब ईंधन दक्षता में 20-25% सुधार है।

"लाइटनेस" सिर्फ एक संख्या का खेल नहीं है; यह औद्योगिक परिदृश्य को स्पष्ट रूप से बदल रहा है।

अंतर्राष्ट्रीय अकादमिक जर्नल में एक समीक्षा लेख के अनुसारसामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग: आर, कार्बन नैनोट्यूब कंपोजिट ने विमानन और ऑटोमोटिव उद्योगों में बड़ी क्षमता का प्रदर्शन किया है: यांत्रिक गुणों को बनाए रखने या यहां तक ​​कि सुधार करते समय संरचनात्मक घटकों का वजन 40% तक कम किया जा सकता है।

आइए वास्तविक -विश्व अनुप्रयोग उदाहरण देखें:

बोइंग 787 का मामला विशेष रूप से उल्लेखनीय है। यह "ड्रीमलाइनर" उन्नत समग्र सामग्रियों (कार्बन नैनोट्यूब -प्रबलित सामग्रियों सहित) का व्यापक उपयोग करता है, जिससे न केवल महत्वपूर्ण वजन में कमी आती है बल्कि इस बड़े एयरलाइनर को समान मॉडलों की तुलना में ईंधन पर 20% से अधिक की बचत करने में भी मदद मिलती है। कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (केआईएसटी) तो एक कदम और आगे बढ़ गया और तांबे के तार की जगह कार्बन नैनोट्यूब तार के साथ बिना किसी धातु के कॉइल के सीधे एक मोटर का निर्माण किया, जिसके परिणामस्वरूप मोटर का वजन तांबे की मोटर का केवल पांचवां हिस्सा रह गया।

हवाई जहाज़ के लिए:ईंधन की बचत=दूर तक जाती है + टिकट की कीमतें कम होती हैं + कार्बन उत्सर्जन कम होता है।

इलेक्ट्रिक वाहन के लिए:वज़न में कमी=लंबी दूरी + तेज़ त्वरण + छोटी बैटरी।

हल्कापन सोना है; हल्कापन प्रतिस्पर्धात्मकता है।

5. शेडोंग टैनफेंग नई सामग्री: "हल्केपन" को क्रय योग्य उत्पादों में बदलना

शेडोंग टैनफेंग न्यू मटेरियल टेक्नोलॉजी कं, लिमिटेड बड़े पैमाने पर {{2}कार्बन नैनोट्यूब की "अल्ट्रा{3}लाइट" विशेषताओं का उत्पादन और उत्पादन कर रही है, जो एयरोस्पेस और नई ऊर्जा वाहनों जैसे उच्च-स्तरीय विनिर्माण उद्योगों की सेवा कर रही है।

कार्बन नैनोट्यूब को प्रयोगशाला में एक "चमत्कारी सामग्री" से औद्योगिक कच्चे माल में बदलने के लिए जिसे इंजीनियर ऑर्डर कर सकते हैं, ऐसी कंपनियों की आवश्यकता होती है जो वास्तव में बड़े पैमाने पर उत्पादन तकनीक में महारत हासिल करती हैं।

शेडोंग टैनफेंग न्यू मटेरियल टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड बिल्कुल ऐसी ही कंपनी है।

इससे क्या होता है?

कंपनी बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs), एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (SWCNTs), कार्यात्मक कार्बन नैनोट्यूब, प्रवाहकीय पेस्ट और पूर्व-छितरी हुई उत्पादों के अनुसंधान एवं विकास और उत्पादन पर ध्यान केंद्रित करती है। उत्पाद की शुद्धता 97.5% से अधिक या उसके बराबर है, Fe, Co, और Ni उत्प्रेरक की अवशिष्ट अशुद्धियाँ 0.5 पीपीएम से कम या उसके बराबर हैं, ट्यूब व्यास वितरण संकीर्ण है, और बैच {{6} से - बैच स्थिरता सीवी है<5%.

इसकी मुख्य दक्षताएँ:

टैनफेंग न्यू मटेरियल यूरोपीय ऑटोमोटिव पार्ट्स आपूर्तिकर्ताओं को PA12 कैरियर मल्टी {{1}दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब मास्टरबैच भी प्रदान करता है, जो ईंधन लाइनों के लिए कठोर एंटी-स्टेटिक आवश्यकताओं को पूरा करता है। जब बीएमडब्ल्यू और बोइंग जैसी कंपनियों को उच्च प्रदर्शन वाली हल्की सामग्री की आवश्यकता होती है, तो कार्बन नैनोट्यूब दूर की प्रयोगशाला अवधारणा से टैनफेंग जैसी चीनी कंपनियों की अलमारियों पर मूर्त उत्पादों में बदल रहे हैं।

सारांश: कार्बन नैनोट्यूब के "हल्केपन" का क्या अर्थ है?

कार्बन नैनोट्यूब का "हल्कापन" कभी भी एक साधारण निम्न घनत्व संख्या नहीं रही है। यह सबसे छोटे द्रव्यमान के साथ सबसे बड़ा भार उठाने, कम से कम सामग्री के साथ सबसे मजबूत प्रदर्शन प्राप्त करने और सबसे हल्के घटकों के साथ उच्चतम दक्षता बनाने के बारे में है।

जब शेडोंग टैनफ़ेंग न्यू मटेरियल अपने कारखाने से इस काले पाउडर को लगातार "उड़ाता" है - पाउडर जो हवा से हल्का है (अपनी टैप की गई अवस्था में) फिर भी स्टील से अधिक मजबूत है - यह संकेत देता है कि सामग्री की दुनिया का "हल्का युग" वास्तव में आ गया है।