Karbon Nanotüp (CNT) Sentezinin En Etkili İki Yöntemi

Karbon nanotüpler (CNT'ler), çok küçük boyutlarda, silindir şeklinde düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan yapılar olarak tanımlanır. Bu yapılar, karbon atomlarının altı köşeli bir desen oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle meydana gelir.

Nanotüpler, grafen denilen karbon katmanlarının bir silindir etrafında sarmalanmasıyla oluşur. Her bir katmanın sarmal eksen etrafındaki düzenleniş biçimi, nanotüplerin farklı özelliklere sahip olmasını sağlar. Bu özellikler, karbon nanotüplerini özellikle güçlü, elektriği iyi ileten ve ısıya karşı dayanıklı yapar, bu da onları pek çok farklı teknolojik uygulama için uygun bir malzeme haline getirir. Bu makalede, karbon nanotüplerinin üretimi için iki temel yöntem incelenmektedir. Nanografi'nin yüksek elektriksel ve optik özelliklere sahip farklı karbon nanotüp ürünlerini şimdi inceleyin.

Giriş

Nanomalzeme teknolojisi alanında, özellikle polimerik nanokompozitlerde karbon nanotüplerin kullanımı, bu malzemelere yeni özellikler kazandırarak çeşitli yeni uygulamaların yolunu açmaktadır. Bu nanotüpler, polimer matrislerine eklenerek hem mekanik güçlendirme sağlar hem de elektriksel özelliklerini geliştirebilir. Bu iki özellik, karbon nanotüplerin polimerik materyallerle bütünleşik olarak düşünülmesinde temel faktörlerdir.

Karbon nanotüpler, kimyasal ve fiziksel özellikleri sayesinde bilim insanları arasında ilgi uyandıran bir malzemedir. İlk kez 1991 yılında fark edilen bu yapılar, o günden bu yana derinlemesine incelenir ve geniş bir uygulama potansiyeline sahip oldukları düşünülür. Sentez süreçlerinin karmaşıklığı ve bunun sonucunda ortaya çıkan yüksek maliyetler, geniş çaplı kullanımlarının önünde bir engel oluşturur. Bu nedenle, piyasada karbon nanotüpler sınırlı miktarlarda ve genellikle yüksek fiyatlarla bulunur.

Boyut ve şekil kontrolü, gerçek dünya uygulamalarına entegrasyon açısından bir başka önemli konudur. Bu zorluklar, dünya genelindeki araştırma enstitüleri tarafından bu alanda yoğun çalışmalar yapılmasını teşvik eder. Karbon nanotüplerin kullanımı, mekanik olarak güçlendirilmiş polimerik nanokompozitlerden başlayarak, özel elektriksel, termal ve optik özellikler gerektiren uygulamalara kadar oldukça geniş bir alana yayılır.

Karbon Nanotüplerin Yapısı

Karbon nanotüpler, araştırmacı Sumio Iijima tarafından fullerene bağlı atık ürünler içinde tesadüfen keşfedilmiştir. Bu nanotüpler, düz grafit katmanlarının (grafen) altıgen yapılar oluşturacak şekilde silindirik bir konfigürasyonda sarılmasıyla oluşur ve fullerenlerle (C60, futbol topu şeklindeki Buckyballs olarak da bilinir) yapısal benzerlikler gösterirler.

Bu nanotüpler genellikle iki farklı formda bulunur:

• Tek duvarlı nanotüpler (SWNT): Bunların çapı 1 ila 10 nanometre arasında değişir, ama tipik olarak yaklaşık 2 nanometredir. Yüksek uzunluk-çap oranlarına sahip olan bu nanotüplerin (10e4 ila 10e5 arasında) benzersiz özellikleri bu özelliğe ve diğer karakteristiklere dayanır.
• Çok duvarlı nanotüpler (MWNT): Bu türde, nanotüplerin duvarları arasında sentez sırasında gelişen zayıf van der Waals etkileşimleri mevcuttur. Çok duvarlı nanotüplerin çapları genellikle tek duvarlı olanlardan çok daha büyüktür ve birkaç on nanometreye kadar ulaşabilir.

Tek duvarlı karbon nanotüpler, üretim süreçlerinin karmaşıklığı ve saflık gerekliliği nedeniyle, çoğunlukla daha yüksek değerlere ve dolayısıyla daha yüksek fiyatlara sahiptir. Bu nanotüplerde bazen kusurlar bulunabilir, ancak bu, onların geniş kullanım alanları ve yüksek performansları nedeniyle yüksek taleplerini etkilemez.

Şekil 1: Yapı olarak grafen ve karbon nanotüpler.

Karbon Nanotüplerin Özellikleri

Karbon nanotüpler, bilim ve mühendislik alanlarında dikkat çeken bazı etkileyici özelliklere sahiptir. Oldukça dayanıklı olan bu yapılar, biçimlerini bozmadan büyük basınçlara tolerans gösterebilirler. Ayrıca mikro ölçekte hem sert hem de katıdırlar. Bu sertliğe rağmen, esneklikleri sayesinde kopmadan rahatlıkla bükülebilirler; bu özellikler onları hem güçlü hem de esneklik gerektiren çok sayıda uygulama için uygun kılar.

Bu minik tüpler aynı zamanda elektriği de etkin bir şekilde iletebilir ve küçük bir alanda büyük akımların dirence neden olmadan akmasına olanak tanır. Özel durumlarda süperiletkenlik olarak bilinen direnç göstermeyen elektrik akımı taşıma kabiliyetine bile sahip olabilirler. Bu durum, elektronik devrelerin ve güç sistemlerinin tasarlanışında devrim yaratabilir.

Isı yönetimi açısından karbon nanotüpler, ısıyı istenmeyen bölgelerden etkili bir şekilde uzaklaştırma kapasitesine sahiptir, bu da çeşitli aygıtların sıcaklık kontrolü için büyük önem taşır. Boyutlarına kıyasla geniş yüzey alanlarına sahip olmaları, onları son derece reaktif yapar ve kimyasal tepkimeleri hızlandırma, katalizörlerin etkinliğini artırma veya sensörler olarak kullanma gibi fonksiyonlar için ideal kılar. Tüm bu nitelikler, elektronik, kimya ve malzeme bilimi gibi alanlarda yeni ve heyecan verici imkanları beraberinde getirir.

Karbon Nanotüplerin Üretim Yöntemleri

Karbon nanotüpleri üretmek için iki ana yöntem vardır; yüksek sıcaklık sentez yöntemleri ve Kimyasal Buhar Biriktirme yöntemi (CVD).

1. Yüksek Sıcaklık Sentezi Yöntemleri
2. Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Yöntemi

1.Yüksek Sıcaklık Sentezi Yöntemi

Karbon nanotüp üretmek için Sumio Iijima tarafından kullanılan bir tekniktir. Bu metod, inert gaz atmosferinde iki grafit elektrot arasında yüksek sıcaklıkta elektrik arkı oluşturulmasıyla yürütülür. Elektrotlar birbirine yaklaştırıldığında ve akım uygulandığında, oluşan elektrik arkı plazma halinde yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 6000 °C) üretir ve grafit çubukların uçlarını buharlaştırır. Buharlaşan karbon, genellikle çok duvarlı (20 ila 30 katmanlı) nanotüplerin oluşumuna yol açar. Anot içerisine metal katalizör eklenmesi, tek duvarlı karbon nanotüplerin sentezlenmesini mümkün kılar.

Elde edilen nanotüplerin yapısı yüksek oranda düzenli olmakla birlikte, bu yöntem karmaşıktır ve üretilen nanotüpler üzerinde sınırlı kontrol imkanı sunar. Yöntemin bir diğer zorluğu, nanotüpler ile birlikte diğer karbon yapılarının da oluşması ve bu yapıların nanotüplerden ayrılmasının güçlük çıkarmasıdır. Ayrıca, yüksek sıcaklık nanotüplerin erimesine veya birbirine yapışmasına neden olabilir, bu da üretim sürecini kısıtlayıcı bir faktördür.

Metallerin ömrünü uzatmada karbon nanotüplerin kullanımını öğrenmek için, blog yazımızı okuyun.

1.1 Lazer Ablasyon Yöntemi

Houston Üniversitesi'nden R. Smalley'in ekibi tarafından yürütülen bu teknik, bir grafit çubuğunun sürekli lazer ışınımı (sürekli akış ile) veya darbeli (kısa darbeler ile, sürekli lazerden daha güçlü olabilir) ile bombalanması esasına dayanır. Bu işlem sırasında, fırlatılan karbon parçacıklarını yakalamak için stratejik bir biçimde su ile soğutulan bir bakır toplayıcı yerleştirilir. Lazer grafiti ablasyon (yüzeyden atım) yaptıkça, bu parçacıklar hızla soğutulur ve toplayıcı üzerine çökerler.

Zamanla, soğutma sistemi tarafından sağlanan hızlı termal ani soğutmadan yararlanarak toplayıcının ucunda karbon nanotüplerden oluşan bir 'keçe' tabakası oluşur. Bu, hem verimi arttırır hem de oluşan nanotüplerin kalitesini iyileştirir. Grafit ya buharlaşır ya da birkaç atomdan oluşan küçük parçalarda atılır ve bakır toplayıcının varlığı, bu karbon türlerinin yapılandırılmış nanotüplere yoğunlaşmasına yardımcı olur. Proses daha maliyetli olmasına karşın elektrik ark üretim yönteminden daha yüksek bir sentez verimine sahiptir; ayrıca daha kolay kontrol edilebilir, bu da istenen ürünlerin elde edilmesi için sentez koşullarının ve bunların modellenmesinin incelenmesine olanak tanır.

Şekil 2: CNT üretmek için lazer ablasyon ekipmanı.

1.2 Güneş Reaktörü

Bu yöntem, grafit bir hedefin buharlaşma sıcaklığına ulaşabilmesi için güneş enerjisini yoğunlaştırmayı içerir. Bu süreç, her deneyde ortalama 0,1 gram ile 1 gram arasında nanotüp sentezi yapılmasına olanak tanır; üretim ve işletme modu sürekli lazer kullanımına benzerdir, bu yüzden o da yerinde gerçekleştirilen gözlemlerle davranışsal çalışmalar için uygundur.

Yüksek Sıcaklık Yöntemlerinin Avantajları ve Dezavantajları 

Avantajlar:

• Diğer yöntemler genellikle yalnızca çok duvarlı nanotüpler üretirken, bu yöntem tek duvarlı nanotüplerin üretimini sağlar.
• Elde edilen nanotüpler oldukça saftır.

Dezavantajlar:

• Nanotüplerin ayrıştırılmasını gerektiren, istenmeyen kümelerin oluşumu meydana gelir.
• Nanotüplerin uzunlukları üzerinde doğrudan bir kontrol sağlanamaz.

2. Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Yöntemi 

CVD yöntemi, ferrosen gibi organometalik bir bileşiğin veya bazen nikelosenin eklendiği, sıvı veya gaz halinde bir karbon kaynağı kullanarak nanotüp üretimini gerçekleştirir. Aerosol formuna dönüştürülen bu çözelti, 750°C ile 900°C arasındaki bir sıcaklıkta inert bir gaz atmosferi, genellikle argon, içinde bir fırına taşınır.

Nanotüpler, fırının cam duvarlarında veya nanotüplerin toplanmasını kolaylaştıran silikon plakalar üzerinde büyür. Sürekli reaktif temini, yeni oluşan nanotüpleri mümkün olan en az alanı kaplayacak şekilde dikey olarak hizalanmaya teşvik eder. Sonuçta, yaklaşık 200 mikrometre uzunluğunda, çok katmanlı, hizalanmış nanotüpler elde edilir. Reaksiyon sonrası nanotüpler, özellikle demir veya nikel gibi başlangıç metallerini içeren safsızlıklar barındırabilir. Bu safsızlıklar, inert bir gaz atmosferinde nanotüplerin tekrar ısıl işlem görmesiyle temizlenir. Bu ısıl işlem aynı zamanda nanotüplerin uçlarında bulunan yarı fulleren yapılarını açarak safsızlıkların atılmasını sağlar ve grafen katmanlarının kusurlarını gidererek nanotüpleri daha düzgün hale getirir. 

Aerosol CVD, metalosen varlığında tolüen veya asetilen gibi hidrokarbonların katalitik parçalanmasına dayanır. Bu süreç, bir katalizör ve karbon kaynağının aynı anda bir reaktöre verilmesiyle tek adımda gerçekleşir. Kullanılan ekipmanlar, enjeksiyonun yönüne ve üretilen örneklerin büyüklüğüne göre değişir:

Bu ekipmanlar genellikle üç ana bileşenden oluşur: aerosol damlacıkları üreten bir jeneratör ve buharlaştırıcı, reaksiyonun gerçekleştiği bir fırın ve bir soğutma ve tahliye sistemi.

Karbon nanotüplerin potansiyel uygulama alanlarını öğrenmek için, blog sayfamızı ziyaret edin.

İki tür aerosol üretici kullanılır: ultrasonik bir aerosol üretici ve otomotiv enjektör tipi bir enjeksiyon sistemi. Ultrasonik aerosol üretici, sıvı yüzeyinde mikro kavitasyon ve titreşim yoluyla aerosol oluşturan bir piezoelektrik seramikten meydana gelir ve oluşan aerosol daha sonra bir gaz akışı ile taşınır. Enjektör sistemi ise, kontrol edilebilen süre ve frekansta açılabilen ve darbeli modda işleyen bir iğne valf içerir.

Dikey Hizalanmış Karbon Nanotüpler ve Grafen Sentezi için CVD

Katalitik ve karbon öncüllerinin ayrışması iki aşamada gerçekleşir. İlk olarak, metallocen termal olarak ayrışarak gaz fazında katalitik parçacıkların oluşumunu sağlar; ikinci aşamada ise bu parçacıklar karbon öncünün katalitik ayrışmasını tetikler. Bu, reaktörün duvarlarında veya çeşitli substratlarda (kuvars, silikon, paslanmaz çelik, alüminyum, karbon ve karbon fiber kumaşlar vb.) birikim oluşumuna yol açar. Bu birikim, fırça matı gibi hizalanmış karbon nanotüplerinden oluşur. Metaller üzerinde grafen büyümesi için yatay konfigürasyondaki küçük ekipmanlar da kullanılır.

Avantajları ve Dezavantajları

• Pratikte kusursuz, çok saf ürünlerin oluşumu, 
• Çok duvarlı nanotüplerin sentezi, 
• Kolayca ayrılabilir hizalanmış nanotüplerin oluşumu, 
• Yüksek biriktirme sıcaklıkları, malzeme yorgunluğuna neden olan artık gerilimler oluşturur.

Karbon Nanotüplerin Kullanım Alanları

Yukarıda belirtilen özelliklere bağlı olarak aşağıdaki potansiyel veya gerçek uygulamalar ortaya çıkmaktadır:

• Yakıt hücreleri için depolama aygıtları
• Güçlendirilmiş Kompozit Polimerler
• İletken polimerler
• Alev geciktiriciler
• Nanoelektronik
• Pil elektrotları
• Yakıt membranları
• Işıkla etkileşim elementleri
• Güneş pilleri
• Farmasötik taşıma ve salım sistemleri
• X-ışını cihazları
• Veri depolama (bilgisayar bellekleri)
• Alan emisyonlu ekranlar (FED)
• Sensörler
• Yapay kaslar
• Ayrıştırma membranları
• Kimyasal kataliz

Sonuç

Karbon nanotüpler, nanometrik çapta ve mikron ölçeğinde uzunluğa sahip, rulo şeklinde katlanmış grafen tabakalarına benzetilebilir. Bu benzersiz malzemeler, mekanik, elektriksel, optik, termal ve kimyasal alanda gösterdikleri olağanüstü özellikler sayesinde, pek çok mevcut ürünün iyileştirilmesine ve hatta yeni ürünlerin geliştirilmesine olanak tanır. Her bir yöntemin kendi avantaj ve dezavantajları bulunmakta olup, yüksek sıcaklık prosesleri ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri ile üretilirler.

Nanotüplerin katkısıyla, nanotüplerle takviye edilmiş kompozit materyaller, nanotüplerin alan emisyonu için kullanıldığı düz ekranlar, kirlilik tespiti için biyolojik ve kimyasal sensörler, ilaç taşıma sistemleri veya yakıt hücreleri gibi birçok uygulama önemli yararlar sağlayabilir. Elektronik, malzeme bilimi, algılayıcı teknolojiler, biyoteknoloji, kimya, enerji, mekanik, bilimsel ölçüm aletleri ve fotonik gibi sektörler, ürünlerine karbon nanotüpler dahil etmek suretiyle avantaj elde edebilirler.

Nanografi, yüksek kaliteli nanomalzemeler ve nanoteknolojiye dayalı ürünler sağlayan bir lider tedarikçi olarak projelerinizi ve araştırmalarınızı her zaman desteklemeye hazır.

Kaynakça

Chemical vapor deposition - Wikipedia. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_vapor_deposition

Elektrik arkı - Vikipedi. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrik_ark%C4%B1

Ferrosen - Vikipedi. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://tr.wikipedia.org/wiki/Ferrosen

Her Soruna Bir Çözüm Sunan Malzeme: Karbon Nanotüp - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/her-soruna-bir-cozum-sunan-malzeme-karbon-nanotup/

Karbon Nanotüpler ve Nanoteknoloji İle Gelecek - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/karbon-nanotupler-ve-nanoteknoloji-ile-gelecek/

Laser ablation equipment to produce CNTs. Reprinted figure with... | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Laser-ablation-equipment-to-produce-CNTs-Reprinted-figure-with-permission-from-B_fig14_253505375

Metallerin Ömrünü Artırmak için Karbon Nanotüp Kullanımı - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 29, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/metallerin-omrunu-artirmak-icin-karbon-nanotup-kullanimi/