1. החוזק הוא פי 100 מזה של פלדה, צפיפות רק 1/6 - המלך המכני
ננו-צינורות פחמן הם אחד מחומרי הביצועים המכניים הטובים ביותר שהתגלו אי פעם על ידי האנושות. חוזק המתיחה הוא פי 100 מזה של פלדה, בעוד שהמשקל הוא רק 1/6 מזה של פלדה - באמת "קל אך חזק".
ננו-צינוריות פחמן נקראות "מלך החומרים החדשים", והתכונות המכניות שלהן הן ה"קלף מנצח" המרשים ביותר.
לפי חישובים תיאורטיים, החוזק של ננו-צינורות פחמן הוא פי 100 מזה של פלדה, מודול ה-Young הוא כמעט פי 6 מזה של פלדה, והצפיפות היא רק 1/6 של פלדה. השוואה שצוטטה בחומרים מלוקטים מהאקדמיה הסינית למדעים היא אפילו יותר אינטואיטיבית: בהשוואה לפלדה בעלת חוזק גבוה- של ASTM A228, החוזק של ננו-צינורות פחמן גדול פי 270, והגמישות גדולה פי 5 בערך.
| מחוון ביצועים | ננו-צינורות פחמן | פְּלָדָה |
|---|---|---|
| חוזק מתיחה | 50-200 GPA | 0.4-1.5 GPa |
| צְפִיפוּת | 1.3-1.6 גרם/ס"מ³ | 7.9 גרם/ס"מ³ |
| יחס כוח-ל-משקל | פי 100 מזה של פלדה | קו בסיס |
אפילו יותר מדהים, ננו-צינורות פחמן הם "קשים אך לא שבירים". כאשר נתונות ללחץ חיצוני עצום, ננו-צינוריות פחמן יכולות להתכופף, להתכרבל או אפילו להתפתל, אך הן אינן נשברות. כאשר הכוח החיצוני משתחרר, הם חוזרים לצורתם המקורית. השילוב הזה של "חזק + קשוח" נדיר ביותר בחומרים הנדסיים.
זו גם הסיבה שמדענים רואים בדעתם שימוש בצינורות פחמן לבניית "מעלית חלל" - זהו החומר היחיד הידוע כיום שעלול להשתרע על פני מרחק של 380,000 קילומטרים מבלי להישבר על ידי משקלו.
2. מוליכות שניה רק למוליכי-על - Electrical King
המוליכות החשמלית של ננו-צינורות פחמן היא תיאורטית שנייה רק מול מוליכים. יכולת הנשיאה הנוכחית-שלהם היא פי 1000 מזו של נחושת, והם החומר היחיד שיכול לשמש גם כמתכת וגם כמוליך למחצה.
ה"הילה המלכותית" של ננו-צינוריות פחמן טמונה לא רק ב"עמידה" אלא גם ב"העברה מהירה".
בננו-צינוריות פחמן, אטומי פחמן מסודרים במבנה חלת דבש משושה רגיל. תחת מבנה זה, אפקט הצימוד הוא משמעותי, ומאפשר לאלקטרונים להשתחרר מה-束缚 של אטומי פחמן בודדים ולנוע בחופשיות על פני טווח גדול יותר. תיאורטית, המוליכות החשמלית של ננו-צינורות פחמן היא שנייה רק מוליכים.
אם לנסח זאת במונחי נתונים: כושר הנשיאה הנוכחי- של ננו-צינוריות פחמן הוא פי 1000 מזה של חוטי נחושת.
חשוב מכך, בהתאם ל"זווית הגלגול" (כיראליות), ננו-צינורות פחמן יכולים להיות מתכתיים או מוליכים למחצה - ואפילו חלקים שונים של אותו צינור עשויים להפגין מוליכות שונה. הם יכולים לשמש הן כחוטים והן כשבבים, מה שהופך את פוטנציאל היישום שלהם בתחום האלקטרוניקה ללא תחרות.
מחקרים מראים שמעבדי ננו-צינורות פחמן פועלים פי 2 מהר יותר ממעבדי סיליקון, תוך שהם צורכים רק 1/3 מהכוח. ברגע שננו-צינוריות פחמן מחליפות את הסיליקון במלואן, ייתכן ש"עמק הסיליקון" באמת יצטרך לשנות את שמו.
3. מוליכות תרמית היא פי 3- מזו של יהלום - מלך תרמית
ננו-צינורות פחמן הם אחד החומרים המוליכים תרמית הטובים ביותר הידועים עד כה, עם מוליכות תרמית תיאורטית פי 3-6 בקירוב מזו של יהלום.
מוליכות תרמית היא אינדיקטור מרכזי לקביעה אם ניתן להשתמש בחומר במכשירים אלקטרוניים-בהספק גבוה ובניהול תרמי של חלליות.
יהלום נחשב מזמן למוליך התרמי הטבעי הטוב ביותר, אך ננו-צינוריות פחמן שוברות את השיא הזה. תיאורטית, המוליכות התרמית של ננו-צינורות פחמן היא בערך פי 3- 6 מזו של יהלום. ננו-צינורית פחמן בעלת דופן אחת בטמפרטורת החדר יכולה להשיג מוליכות תרמית של עד 3500 W·m⁻¹·K⁻¹, העולה על היהלום.
ננו-צינוריות פחמן יכולות להוביל במהירות חום לאורכן. מאפיין "הולכת חום כיוונית" זה הופך אותם לחומרים אידיאליים לפיזור חום שבב והגנה תרמית של חללית.
4. עמיד לחומצה ואלקלי, עמיד בפני חמצון, יכול לספוג גלים - כימי ופונקציונלי מלך
לננו-צינוריות פחמן יש יציבות כימית מעולה, עמידה בפני חומצות ואלקליות וחמצון. הם יכולים גם לספוג ביעילות גלי מיקרו, ולהבדיל את עצמם בחומרים חמקניים, מיגון אלקטרומגנטי ושדות אחרים.
ה"הילה המלכותית" של ננו-צינוריות פחמן אינה מוגבלת למכניקה, חשמל וחום - הן גם מאוד "עמידות".
ננו-צינוריות פחמן הינן יציבות מבחינה כימית, עם עמידות לחומצות ולאלקליות. הוספת ננו-צינורות פחמן לחומרים מרוכבים של פולימרים יכולה לשפר את עמידות החומצה ועמידות החמצון של החומרים עצמם, מה שהופך אותם למתאימים לסביבות תובעניות כמו תעופה וחלל, תעופה, הגנה לאומית ויישומים צבאיים.
יש גם פונקציית "קלף מנצח" ייחודית - קליטת גלים. בשל המבנה המיוחד והתכונות הדיאלקטריות שלהן, ננו-צינוריות פחמן מציגות ביצועים חזקים של ספיגת מיקרוגל בפס רחב, היכולים לשמש בחומרים חמקניים, חומרי מיגון אלקטרומגנטיים וחומרים סופגי תא אנכואי. המשמעות היא שמטוסי קרב חמקניים עתידיים וציוד הגנה אלקטרומגנטי עשויים להסתמך על חומר "זהב שחור" זה.
5. כבר מכסה תעופה וחלל → רכב → מוצרי ספורט - יישום מלך
היישומים של ננו-צינורות פחמן כבר עברו מ"מדע בדיוני" למציאות, משתרעים על פני טריליון-שווקים של יואן כגון תעופה וחלל, רכב, אנרגיה ומוצרי ספורט, ומתקדמים לקראת מאה-מיליארד-יואן בקנה מידה תעשייתי.
"מלך החומרים החדשים" לא רק "מלך" במעבדה. נוף היישומים של ננו-צינורות פחמן מתרחב במהירות.
תעופה וחלל:חומרים מרוכבים של ננו-צינורות/אלומיניום של מטריצת פחמן כבר היו בשימוש בקטעי הביניים של הטיל הארוך מרץ 12, ומשיגים קל משקל וחוזק גבוה - באמת חומר ש"היה בחלל".
תעשיית הרכב:נעשה שימוש בחומרים מרוכבים פולימריים מחוזקים בצינורות פחמן- במערכות פליטה ורכיבי גוף. הפחתה של 25% במשקל הרכב עשויה להפחית את צריכת הנפט הגולמי בעד 250 מיליון חביות בשנה.
מוצרי ספורט:ננו-צינוריות פחמן נכנסו לציוד ספורט-יוקרתי כגון מחבטי טניס, שלדות אופניים ומקלות גולף - קלים יותר, חזקים יותר ועמידים יותר.
סוללות אנרגיה/ליתיום:כתוסף מוליך, ננו-צינורות פחמן יושמו באופן נרחב בתעשיית סוללות הליתיום, כאשר הביקוש גדל בקצב גידול שנתי מורכב של 40.8%.
מטילים למחבטים, מסוללות למטוסי קרב חמקנים, ננו-צינוריות פחמן הופכות מ"נס מעבדתי" ל"ויטמין תעשייתי".
שאנדונג טנפנג חומר חדש: היזם התעשייתי של "מלך החומרים החדשים" של סין
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd מקדמת לוקליזציה של ננו-צינורות פחמן, עם ייצור חודשי של 200 טון, המכסה את כל המגוון של צינורות חד-דופנות/רב-חד-קירות, וממוקמת אסטרטגית בשבעה כיוונים מרכזיים, כולל רכבי אנרגיה חדשים, תעופה וחלל ומעבר רכבת.
ננו-צינוריות פחמן נקראות "מלך החומרים החדשים", אבל "מלך" צריך גם מישהו ש"יזמין" אותו מהמעבדה לפס הייצור.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. היא בדיוק מפעל כזה. החברה מחזיקה ביותר מעשרה פטנטים פעילים הקשורים לננו-צינוריות פחמן ולחומרי אנודיות פחמן-סיליקון. המוצרים שלה מכסים את המגוון המלא של ננו-צינוריות פחמן-יחידות, ננו-צינוריות פחמן מרובות-דפנות, משחות מוליכות וחומרי אנודות פחמן-סיליקון.
מוצרי סדרת TF-400 של החברה יושמו בחומרים מחוזקים-גבוהים ומוליכות תרמית-גבוהה, עם עמידות מצוינת לחום ולקורוזיה. Tanfeng New Material מניע את "מלך החומרים החדשים" לעבר שדה קרב תעשייתי רחב יותר עם הכוח של הייצור הסיני.
סיכום-משפט אחד:ננו-צינורות פחמן נקראים "מלך החומרים החדשים" לא בגלל שהם מצטיינים בתכונה מסוימת, אלא בגלל שיש להם בו זמנית חמישה "קלפי מנצח": החזק ביותר, המוליך ביותר, העברת החום הטובה ביותר, היציב ביותר והיישום הרחב ביותר.
מגילוי ננו-צינורות הפחמן על ידי המדען היפני Sumio Iijima בשנת 1991, לשימושם בהפחתת משקל על רקטת ה-12 במארס הארוך, ועד לייצור החודשי של שאנדונג טנפנג ניו חומר של 200 טון המקדמים לוקליזציה - ננו-צינוריות פחמן יורדות מכס המלכות של "מלך החומרים והחומרים שצריכים להיות חזקים וחזקים" מהר יותר." זו הסיבה האמיתית לכך שהם ראויים לתואר "מלך".