¿Cuál es la diferencia entre nanotubos de carbono y fullereno y nanofibras de carbono?

Hola, gracias por el A2A! Esto es justo en mi callejón.

“Si estamos usando nanotubos de carbono, ¿por qué no podemos usar fullereno?” es similar a “Si usamos limones cítricos , ¿por qué no podemos usar limones?”

Fullereno es un término muy amplio: significa cualquier alótropo (forma molecular) de carbono con forma de esfera, cilindro, elipsoides y más. De hecho, a menudo se usa informalmente como cualquier alótropo de carbono que no se ajusta a los alótropos clásicos, lo que significa que si es una molécula de carbono y no es diamante, grafito, grafeno o amorfo, es un fullereno.

Los nanotubos de carbono, o moléculas de carbono en forma de tubo, son fullerenos. ¡Estamos usando fullerenos en muchos de nuestros materiales de primera categoría ahora mismo! Desde pelotas de golf hasta raquetas de tenis y gorras, el fullereno está de moda . Fullerene es justo, honestamente, más esotérico y carece del factor genial. Fullereno? ¿Qué es incluso un fullereno? ¿Pero los nanotubos de carbono? Ahh, ahora eso es algo que puedo respaldar.

Las fibras de carbono son bastante diferentes de los nanotubos de carbono. Mientras que los nanotubos de carbono son moléculas que en realidad tienen forma de espagueti, las fibras de carbono son simplemente cristales de grafito alrededor de 5-30 micrómetros envueltos por un recubrimiento orgánico como PEO o PVA. Si bien son muy pequeños, en realidad no son nano-pequeños: tenga en cuenta que el cabello humano podría ser tan delgado como 17 micrómetros, y la fibra de lana puede tener alrededor de 10 micrómetros de diámetro. La estructura es claramente diferente, y la fibra de carbono es muy, muy diferente de los nanotubos de carbono.

Esto es solo un caso de mala atribución. No digo que las fibras de carbono sean materiales malos: son materiales excelentes por derecho propio, avanzan y plantan banderas en las industrias automotrices y aeroespaciales, pero no son nanotubos de carbono, aunque los nombres suenan muy similares. Sin embargo, por una vez, creo que la elección aquí es técnica, en lugar de comercialización, aunque los nanotubos de carbono son fullerenos, tienen propiedades muy diferentes en comparación con las fibras de carbono. La naturaleza de las fibras de carbono significa (y estoy siendo muy breve aquí) que se obtiene un alto módulo de Young (lo que significa que puede estirarse y luego volver a su forma original) o una resistencia a la tracción muy alta (puede tomar fuerzas de estiramiento bien). Esto condujo a historias sobre cómo se rompen las costosas bicicletas de fibra de carbono, lo que, aunque es un poco exagerado, es muy plausible. De hecho, ¡hacer compuestos compuestos reforzados con fibras de carbono es más barato y mejor que usar fibras de carbono puro por la misma razón!

TL, DR: Fullereno es solo un nombre amplio y diferente para los nanotubos de carbono (y otras cosas), mientras que las fibras de carbono son completamente diferentes química y físicamente.

Veo que su trabajo de investigación está en “nanoesferas grafíticas de varias capas” y supongo que se refiere al grafeno en capas. Si es así, es importante agregar “grafeno” a su pregunta.

Lo primero a considerar son las configuraciones de unión conocidas con carbono … sp2 y sp3. Un buen resumen de los nanocarbonos que podrías estudiar es:

Formas de nanocarbonos por tipo de enlace

► enlaces sp2

• grafito, grafeno, nanofoam de carbono, fullerenos (buckyballs y nanotubos, nanobuds), carbono vítreo (también llamado carbono vítreo)

► enlaces sp3

• diamante, lonsdaleita (diamante hexagonal)

► relaciones de enlaces sp2 / sp3

• Carbono amorfo (poli o nanocristalino), Carbonado (diamante negro)

Ya sea que esté estudiando cristalografía y nanoestructura o examinando las propiedades de estos materiales, la unión tiene el impacto más significativo en estos materiales. Por ejemplo, los diamantes (sp3) no conducen electricidad mientras que una sola hoja de grafeno conduce electrones más rápido que cualquier otro material conocido por el hombre. Sin embargo, si está estudiando química o espectroscopía, entonces hay pocas diferencias entre estos nanocarbonos.

Si está estudiando nanocarbonos, entonces debe considerar Raman y STEM-EELS, para distinguir mejor entre estos nanocarbonos.

CNT

Realmente no se puede hacer un nanotubo de carbono enrollando una lámina de grafeno, pero esta metáfora se usa a menudo para describir nanotubos. La diferencia significativa es que las propiedades de los nanotubos de carbono se ven significativamente afectadas por el ángulo en el que el nanotubo se “enrolla” en un tubo (esto se llama quiralidad). Los nanotubos a menudo se denominan metálicos o semiconductores, lo que depende en gran medida de la quiralidad de los nanotubos.

Además, tenga en cuenta que “apilar” láminas de grafeno para hacer una configuración multicapa también afectará algunas de las propiedades del material. Por ejemplo, la conductividad eléctrica es mucho mayor en láminas individuales de grafeno que en una configuración apilada.

Fibra de carbon

La fibra de carbono es una categoría amplia, pero en la nanoescala la fibra de carbono es una relación de enlaces de carbono sp2 y sp3. Puede haber algún grupo que afirme hacer una fibra de carbono sp2 pura, pero es poco probable que no haya enlaces sp3 presentes.

Muchas cosas afectan las propiedades de las fibras de carbono: el material fuente utilizado para fabricar las fibras, la técnica de producción, los productos químicos y / o gases utilizados, las técnicas de filtrado y / o cribado, y las técnicas de hilado o ensamblaje para fabricar las fibras.

En resumen, las fibras de carbono a nanoescala están en la categoría de carbono amorfo.

¿Por qué usar uno sobre el otro?

Las propiedades deseadas en su diseño (y los costos) determinarán qué material es mejor en su parte, como una raqueta de tenis. Suponiendo que está utilizando los nanocarbonos para mejorar la rigidez en la raqueta de tenis, entonces probablemente esté agregando los nanocarbonos a una matriz de polímero (probablemente un termoplástico termoestable o rígido). Mientras que la fibra de carbono mejorará la rigidez sobre ningún nanocarbono, pero las fibras de carbono no podrán competir con los nanotubos de carbono en la categoría de rigidez.