أيهما أصعب، أنابيب الكربون النانوية أم الألماس؟ أيهما أقوى؟

تتمتع أنابيب الكربون النانوية والماس بصلابة مماثلة، لكن تعريفاتها لكلمة "صلب" مختلفة. ومن حيث صلابة الخدش (صلابة موس)، فإن الماس يبلغ 10، وهو الأعلى بين المعادن الطبيعية. لا تمتلك الأنابيب النانوية الكربونية قيمة صلابة قياسية وفقًا لموس، لكن قدرتها على الخدش قابلة للمقارنة بقدرة الماس. من حيث صلابة فيكرز (مقاومة الثلم)، تبلغ قوة الألماس 7140-15300 فولت، بينما تبلغ قوة أنابيب الكربون النانوية حوالي 1000-2000 فولت. ومع ذلك، فقد قامت الأبحاث بتصنيع أنابيب كربونية نانوية ثلاثية الأبعاد مرتبطة تساهميًا بصلابة فيكرز تبلغ 82.8 جيجا باسكال. ومن حيث المتانة، فإن أنابيب الكربون النانوية أقوى 100 مرة من الفولاذ ويمكن تمديدها. الماس، على الرغم من صلابته، هش للغاية ويمكن تحطيمه بالمطرقة.خاتمة:في صلابة الصفر، الماس ≈ أنابيب الكربون النانوية؛ في متانة الصدمات، يتفوق أنبوب الكربون النانوي تمامًا على الماس.

1. أولاً، افهم "الصلابة": فهي تعني أشياء مختلفة

خاتمة:في الحياة اليومية، كلمة "صلب" لها في الواقع معنيان - صلابة الخدش (مقاومة التآكل) ومقاومة الصدمات. الماس يفوز بالأول فقط، لكنه يخسر الثاني.

قبل المقارنة بين أنابيب الكربون النانوية والماس، من الضروري توضيح: ماذا تعني "الصلابة" في الواقع؟

يعتقد الكثير من الناس خطأً أن الصلابة العالية تعني "لا يمكن كسرها بمطرقة". هذه فكرة خاطئة.

من الناحية المهنية تنقسم الصلابة بشكل أساسي إلى نوعين:

الماس:صلابة موس 10، وهي الأعلى بين المعادن الطبيعية. ومع ذلك، فهو يحتوي على "انقسام ثماني السطوح" - عندما يتم تطبيق القوة في اتجاه معين، حتى كمية صغيرة يمكن أن تسبب انقسامه. ضرب الماس بالمطرقة سيؤدي إلى تحطيمه إلى مسحوق. وهذا ليس لأن صلابته غير كافية، بل لأن هشاشته عالية.

أنابيب الكربون النانوية:يتكون من ذرات كربون متصلة بواسطة روابط تساهمية C=C، وهي واحدة من أكثر الروابط الكيميائية استقرارًا في الطبيعة. صلابتها ليس لها قيمة قياسية حسب مقياس موس، لكن قدرتها على الخدش "قابلة للمقارنة" بقدرة الماس. النقطة الأساسية هي أن أنابيب الكربون النانوية أيضًا "تتمتع بمرونة جيدة ويمكن تمديدها".

لاستخدام القياس:الماس يشبه قطعة الزجاج -، سطحها صلب للغاية ومقاوم للتآكل-، ولكنه يتحطم عند سقوطه على الأرض. تشبه الأنابيب النانوية الكربونية سلك الفولاذ - ويمكنها أيضًا خدش الزجاج، ولكن من الممكن أيضًا ثنيها وتمديدها وغير قابلة للكسر.

2. دع البيانات تتحدث: أنابيب الكربون النانوية مقابل الماس - أيهما أقوى؟

خاتمة:من حيث قوة الشد والقوة النوعية (القوة ÷ الكثافة)، فإن أنابيب الكربون النانوية عبارة عن "ألياف فائقة" لا يمكن للماس أن يضاهيها. ومن حيث صلابة فيكرز، فإن أنابيب الكربون النانوية الطبيعية ليست بنفس صلابة الماس، ولكن الأصناف المصنعة صناعيًا قد اقتربت منها أو حتى تجاوزتها.

دعونا نلقي نظرة مباشرة على مقارنة البيانات:

العديد من نقاط البيانات هذه تستحق الدراسة عن كثب:

1. قوة الشد: تنتصر أنابيب الكربون النانوية بشكل كامل
تبلغ قوة الشد لأنابيب الكربون النانوية 50-200 جيجا باسكال. وعلى الرغم من صلابة الماس، إلا أنه ليس جيدًا في "مقاومة التوتر". لنستخدم تشبيهًا: الماس يشبه الطوب الزجاجي، لا يمكن سحقه، ولكنه ينكسر بسهولة عند سحبه.

2. معامل المرونة: أنابيب الكربون النانوية أفضل قليلاً
يقيس المعامل المرن "القدرة على مقاومة التشوه". الماس حوالي 1.0-1.2 طن باسكال. يمكن أن تصل القيمة النظرية لأنابيب الكربون النانوية إلى 5 طن باسكال، مع القيم المقاسة عادة في حدود 1-1.8 طن باسكال. من حيث "الصلابة"، فهي متكافئة تقريبًا، مع وجود حافة طفيفة لأنابيب الكربون النانوية.

3. القوة النوعية: تهيمن أنابيب الكربون النانوية على كل شيء
القوة المحددة=القوة ÷ الكثافة، قياس "مقدار قوة السحب التي يمكن لوحدة الوزن تحملها." تبلغ القوة النوعية لأنابيب الكربون النانوية 100 مرة قوة الفولاذ، وتصل إلى 25-100 جيجا باسكالسم³/جم. وهذا يعني: إذا صنعت حبلاً من أنابيب الكربون النانوية، فسيكون أقوى 100 مرة من حبل فولاذي له نفس الوزن. ولهذا السبب أيضاً استخدمت رواية الخيال العلمي "مشكلة الأجسام الثلاثة" "شفرات نانوية طائرة" لاختراق السفن العملاقة، ولهذا السبب يتصور العلماء استخدام أنابيب الكربون النانوية لبناء "مصعد فضائي".

4. أنابيب الكربون النانوية فائقة الصلابة-: إنجاز علمي جديد
صممت دراسة أجريت عام 2022 أنبوبًا نانويًا كربونيًا ثلاثي الأبعاد-مترابطًا تساهميًا من خلال الحسابات النظرية. وصلت صلابة فيكرز إلى 82.8 جيجا باسكال، وهي قابلة للمقارنة مع نيتريد البورون المكعب. تنبأت دراسة أخرى في نفس العام بوجود اثنين من بوليمرات الأنابيب النانوية الكربونية الصلبة شبه القابلة للاستقرار بصلابة فيكرز تبلغ 40.4 جيجا باسكال و37.1 جيجا باسكال، على التوالي.

تظهر هذه البيانات أن أنابيب الكربون النانوية لا يمكنها فقط التغلب على الماس من حيث الصلابة، ولكن العلماء يمكنهم أيضًا من تجاوز الماس في مؤشر "الصلابة".

3. هل "شفرة النانو الطائرة" حقيقية؟ ما مدى قوة أنابيب الكربون النانوية؟

خاتمة:إن "الشفرة الطائرة النانوية" من "مشكلة الجسم الثلاثة-" التي تقطع السفن العملاقة تعتمد على أنابيب الكربون النانوية. في الواقع، القوة النظرية لأنابيب الكربون النانوية كافية بالفعل "لقطع المعدن مثل الطين".

في رواية الخيال العلمي "مشكلة-الأجسام الثلاثة، يمكن لـ "شفرة طائرة نانوية" يبلغ سمكها-عُشر سمكة شعرة الإنسان أن تقطع سفينة عملاقة مثل التوفو. لم يتم استحضار هذا المفهوم من فراغ - النموذج الأولي له هو أنبوب الكربون النانوي.

ما الذي يمكن أن تحققه أنابيب الكربون النانوية في الواقع؟

أقوى 100 مرة من الفولاذ:يمكن لحزمة من أنابيب الكربون النانوية، أرق من شعرة الإنسان، أن ترفع سيارة نظريًا.

أقوى من أي ألياف:تتفوق الأنابيب النانوية الكربونية كثيرًا على أي ألياف معروفة من حيث القوة والمتانة.

مصعد الفضاء ليس حلمايعتقد العلماء أن أنابيب الكربون النانوية هي أفضل مادة مرشحة لصنع كابل "مصعد الفضاء".

وبطبيعة الحال، يكمن عنق الزجاجة التقني الحالي في كيفية تكرار الأداء الاستثنائي لأنبوب نانوي كربوني فردي في مادة مجهرية. وهذه هي المشكلة الصعبة التي يعمل العلماء حول العالم على التغلب عليها.

4. كيف تنتج مادة Tanfeng الجديدة هذه "المادة الفائقة"

تعمل شركة Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. على تحويل الخواص الميكانيكية الممتازة لأنابيب الكربون النانوية إلى منتجات قابلة للإنتاج بكميات كبيرة، مما يؤدي إلى إخراج "المادة الفائقة" من المختبر.

النظرية شيء واحد، ولكن تطبيق "القوى العظمى" لأنابيب الكربون النانوية على المنتجات الفعلية يتطلب شركات تتقن تكنولوجيا الإنتاج على نطاق واسع-.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. هي بالضبط هذه الشركة.

ماذا يفعل؟تركز الشركة على البحث والتطوير وإنتاج مسحوق أنابيب الكربون النانوية، والمعجون الموصل، ومواد أنود الكربون-السيليكونية. تغطي منتجاتها النطاق الكامل من أنابيب الكربون النانوية-المفردة الجدران والأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران-المتعددة الجدران.

ما هي قدرتها الفنية؟

يحمل أكثر من عشر براءات اختراع نشطة تتعلق بأنابيب الكربون النانوية.

يتقن عمليات التحضير المختلفة بما في ذلك تفريغ القوس، والاستئصال بالليزر، وترسيب البخار الكيميائي (CVD).

نقاء المنتج أكبر من أو يساوي 98%؛ يمكن أن يصل حجم جسيمات المسحوق إلى 5-15 ميكرومتر.

يصل الإنتاج الشهري إلى 200 طن، وهو بالفعل في الإنتاج الضخم.

أين يتم تطبيق الخواص الميكانيكية لأنابيب الكربون النانوية؟يمكن أن يصل معامل يونج النظري لمنتجات أنابيب الكربون النانوية الخاصة بتانفينج إلى 5 طن باسكال، مع قوة تقارب 100 مرة قوة الفولاذ وكثافة تبلغ 1/6 فقط من كثافة الفولاذ. يتم استخدام هذه الخصائص الميكانيكية الممتازة في المجالات التالية:

تتابع الشركة عن كثب استراتيجية التنمية الوطنية للطاقة الجديدة والمواد الجديدة، وينتشر نطاق أعمالها على الصعيد الوطني، وتطمح إلى أن تصبح "مزودًا للمواد المتقدمة ومزودًا للخدمات التقنية".

ملخص جملة واحدة-:وبينما يثبت العلماء في المختبرات أن الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن "ألياف فائقة"، تعمل شركات مثل Tanfeng New Material على تحويلها إلى منتجات يمكنك شراؤها.

الخلاصة: أيهما أصعب؟ الجواب يعتمد على كيفية تعريف "الصعب"

الاستنتاج النهائي هو:

بالمعنى التقليدي لـ "مقاومة التآكل"، تتمتع كل من الأنابيب النانوية الماسية والكربونية بمزاياها الخاصة. لكن فيما يتعلق "بالخصائص الميكانيكية الشاملة" - وخاصة قوة الشد والمتانة والقوة النوعية - فإن أنابيب الكربون النانوية هي الملك بلا منازع.

الألماس هو "أصلد معدن طبيعي على وجه الأرض"، لكن أنابيب الكربون النانوية هي "أقوى الألياف التي يصنعها الإنسان".

وكما قال أحد علماء المواد: "الألماس هو ملك الماضي؛ وأنابيب الكربون النانوية هي حجر الزاوية في المستقبل".

وبما أن هذه المادة المستقبلية يجري إنتاجها بكميات كبيرة-بواسطة شركة Shandong Tanfeng، يمكننا القول: لقد وصل عصر أنابيب الكربون النانوية.