Bagaimana Carbon Nanotubes Mendefinisikan Ulang Kekuatan Material
Apa yang 100 kali lebih kuat dari baja, namun lebih ringan dari aluminium? Tabung nano karbon adalah salah satu bahan terkuat yang pernah ditemukan, namun para insinyur baru saja mulai membuka potensi penuhnya.
Karbon nanotube adalah alotrop karbon , artinya mereka adalah salah satu dari beberapa kemungkinan susunan atom yang dapat diambil oleh karbon . Di alam, karbon murni ditemukan baik dalam bentuk grafit , padatan serpihan lembut, atau berlian , yang transparan dan merupakan bahan alami yang paling keras.
Karbon nanotube lebih erat hubungannya dengan grafit daripada berlian. Meskipun grafit sangat lunak, ia terbuat dari lapisan atom karbon yang tersusun dalam lembaran setebal satu atom. Lembaran individu ini disebut graphene, dan nanotube karbon adalah apa yang akan Anda dapatkan dari menggulung lembaran graphene menjadi bentuk tabung .
Grafena adalah bahan yang luar biasa dalam dirinya sendiri. Seperti nanotube karbon, ia sangat kuat . Hadiah Nobel Fisika 2010 dianugerahkan kepada tim yang pertama kali mengisolasi selembar graphene, dan graphene begitu kuat sehingga, secara teori, selembar graphene dengan berat sekitar satu miligram dapat menampung seekor kucing .
"Tempat tidur gantung kucing" hipotetis ini hanya setebal satu atom dan sama sekali tidak terlihat oleh mata manusia . Karbon nanotube terbentuk dari satu atau lebih lapisan graphene tersusun menjadi sebuah tabung dan juga sangat kuat .
Menurut dokumen Akademi Nobel, jika tempat tidur gantung berukuran satu meter persegi yang terbuat dari graphene “diikat di antara dua pohon, Anda dapat menempatkan berat sekitar 4 kilogram sebelum patah. Dengan demikian, mungkin untuk membuat tempat tidur gantung yang hampir tidak terlihat dari graphene yang dapat menahan kucing tanpa patah.
Saat ini, nanotube karbon terutama digunakan untuk meningkatkan sifat komposit polimer . Tabung nano karbon dapat menawarkan berbagai sifat yang bermanfaat:
- Kekuatan sangat tinggi
- Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi
- Konduktivitas listrik tinggi
- Konduktivitas termal tinggi
Sifat tabung nano karbon
Jika dibandingkan dengan bahan penguat lainnya, nanotube karbon jauh lebih kuat daripada serat lainnya digunakan dalam komposit polimer yang diperkuat serat. Penelitian terbaru juga telah difokuskan pada pengembangan polimer bergradasi fungsional, di mana nanotube karbon didistribusikan secara strategis dalam struktur polimer untuk memberikannya sifat mekanik khusus.
| Materi | Kekuatan (sumber data dalam tautan) |
|---|
| Tabung nano karbon berdinding banyak | 11 - IPK 63 |
| Serat karbon | 3.5 - 5.5 IPK |
| Serat kaca | 3.5 - 4.6 IPK |
| Kevlar | IPK 3.0 |
| Baja | 0.23 - 0.73 IPK |
Tabung nano karbon juga menawarkan konduktivitas listrik dan termal yang baik , yang membuatnya berguna dalam aplikasi pengemasan elektronik atau sebagai aditif pada polimer dan perekat untuk membuat mereka konduktif. Secara tradisional, logam telah menjadi bahan utama yang digunakan sebagai konduktor listrik dan termal dalam elektronik karena polimer dan keramik menawarkan konduktivitas listrik dan termal yang buruk sebagai perbandingan.
Namun, dengan menambahkan nanotube karbon, beberapa polimer dapat dibuat konduktif , yang membuka kemungkinan baru untuk manufaktur elektronik yang lebih murah dan lebih cepat .
| Materi | Konduktivitas Listrik
(sumber data dalam tautan) | Konduktivitas Termal
(sumber data dalam tautan) |
|---|
| Tabung nano karbon berdinding tunggal | 10
2
- 10
6
S/cm | 6000 W/mK |
| Tabung nano karbon berdinding banyak | 10
3
- 10
5
S/cm | 2000 W/mK |
| Berlian | 10
-2
- 10
-15
S/cm | 900 - 2320 W/mK |
| Grafit | 3,3 - 4000 S/cm | 2.2-298 W/mK |
| Tembaga | 4.3•10
9
- 5.9•10
9
S/cm | 305 - 385 W/mK |
Komposit yang diperkuat karbon nanotube
Jika graphene dan nanotube karbon sangat kuat, lalu mengapa kita tidak menggunakannya dalam segala hal ? Bagian dengan kekuatan yang sebanding dengan graphene atau nanotube karbon praktis tidak dapat dihancurkan dibandingkan dengan bahan lainnya.
Untuk memahami tantangan dalam memanfaatkan kekuatan luar biasa dari karbon nanotube dan graphene, kita dapat melihat alasan mengapa grafit lunak . Lembaran grafena individu sangat kuat, tetapi grafit lunak karena ikatan antar lembaran grafena lemah .
Tabung nano karbon individu adalah salah satu bahan terkuat yang pernah ditemukan, tetapi mereka harus dihubungkan bersama agar kekuatannya berguna .
Tabung nano karbon adalah apa yang akan Anda dapatkan dari menggulung lembaran graphene menjadi bentuk tabung.
Inilah sebabnya mengapa nanotube karbon sering digunakan sebagai aditif dalam bahan lain , biasanya polimer, untuk meningkatkan sifat mereka. Tabung nano karbon menambah kekuatan dan materi "matriks" tempat mereka tersebar menyatukan semuanya. Tapi ini membuat kita bertanya:Mengapa nanotube karbon kecil itu jauh lebih kuat daripada material massal? Mereka kuat karena kecil.
Bahan nano yang sangat kuat
Kunci kekuatan karbon nanotube terletak pada fakta bahwa mereka hampir mencapai kekuatan teoritis karbon karena ukurannya yang kecil . Kekuatan teoretis suatu material adalah tegangan yang diperlukan untuk memecahkan kristal sempurna yang bebas dari cacat apa pun.
Misalnya, kekuatan teoritis besi murni adalah 31,8 GPa, sedangkan baja curah memiliki kekuatan dalam kisaran 270-740 MPa, kurang dari 2,5% dari kekuatan teoritis. Ini karena cacat kecil yang dikenal sebagai dislokasi membuat baja curah rentan terhadap deformasi plastis dan kegagalan pada tegangan yang lebih rendah dibandingkan dengan kristal hipotetis bebas cacat .
Gambar SEM dari nanotube karbon selaras. © Fraunhofer IKTS
Material massal tidak pernah mendekati kekuatan teoretisnya karena, bahkan dengan pemrosesan yang sangat hati-hati, material berskala besar pasti akan berakhir dengan cacat mikrostruktur yang mengurangi kekuatan mereka. Ini juga alasan mengapa, sayangnya, manusia tidak mungkin pernah membuat lembaran graphene yang besar dan sempurna seperti tempat tidur gantung kucing graphene setebal satu atom yang dijelaskan dalam upacara penghargaan Hadiah Nobel 2010.
Lembaran sebesar itu pasti mengandung cacat itu akan mengurangi kekuatannya, dan kucing itu akan merobek tempat tidur gantung. Dengan demikian, pemrosesan sebagian besar bahan curah difokuskan untuk membatasi efek cacat mikrostrukturnya daripada menghilangkan cacat seluruhnya . Membuat material yang benar-benar bebas cacat dalam jumlah besar praktis tidak mungkin dilakukan dengan teknologi saat ini.
Gambar mikroskop elektron dari nanotube TiO2 yang tumbuh secara elektrokimia. 10.000 kali lebih kecil dari lebar rambut manusia, tabung diisi dengan polimer organik dalam teknik baru untuk "menumbuhkan" sel surya dengan potensi lebih murah daripada sel surya saat ini.
Mensintesis bahan bebas cacat jauh lebih layak jika volume bahan sangat, sangat kecil. Sederhananya, sejumlah kecil bahan secara statistik cenderung tidak mengandung cacat daripada yang besar , dan material dalam volume kecil lebih mudah dibuat dengan proses pertumbuhan kimiawi yang menghasilkan sedikit cacat.
Dengan demikian, dimungkinkan untuk membuat nanotube bebas cacat dalam jumlah besar , tetapi tidak mungkin untuk membuat potongan monolitik besar dari bahan bebas cacat. Tabung nano karbon sangat kuat karena sangat kecil yang memungkinkan mereka bebas cacat.
Tabung nano karbon dipintal untuk membentuk benang.
Perlu juga diingat bahwa kekuatan material diukur dengan membagi gaya yang diperlukan untuk mematahkan spesimen dengan luas penampang spesimen tersebut , menghasilkan satuan seperti megapascal (MPa) yang setara dengan satu newton per milimeter persegi (N/mm2). Dengan demikian, pengukuran kekuatan secara otomatis mengkompensasi jumlah material dalam spesimen, dan akibatnya, kita dapat membandingkan kekuatan batang baja berdiameter 1 cm dengan tabung nano karbon berdiameter 1 m.
Tabung nano kecil kemungkinan besar akan benar-benar bebas cacat , dan karena itu sangat kuat. Tetapi untuk menggabungkan cukup nanotube untuk membuat bagian dengan ukuran yang sama dengan batang baja, kita harus membuat komposit yang diperkuat serat .
Ukurannya yang kecil, dan kurangnya cacat yang menyebabkan nanotube karbon menjadi bahan nano yang sangat kuat , dengan nanotube karbon multiwall individu yang melaporkan kekuatan 11 – 63 GPa, yang mendekati kekuatan teoritis karbon 156.0 GPa. Bahan lain juga dapat dibuat menjadi sangat kecil , “kumis” bebas cacat, termasuk besi, yang dilaporkan memiliki kekuatan 13 GPa dalam bentuk kumis nano, nilai yang jauh lebih mendekati kekuatan teoritis besi daripada baja curah.
Banyak bahan lain telah disintesis dalam nanotube , kawat nano, atau bentuk kumis dalam kondisi laboratorium, tetapi tabung nano karbon adalah salah satu dari sedikit bahan nano sangat kuat yang tersedia dalam jumlah komersial dari pemasok seperti Goodfellow.
Kesimpulan
Tabung nano karbon adalah salah satu bahan terkuat yang pernah ditemukan karena ukurannya yang sangat kecil memungkinkan bahan tersebut bebas cacat dan hampir mencapai kekuatan teoritis karbon . Inilah sebabnya mengapa nanotube karbon paling biasa digunakan untuk meningkatkan sifat bahan lain , seperti ketika ditambahkan ke matriks polimer untuk meningkatkan kekuatan, konduktivitas listrik, dan konduktivitas termalnya.
Kekuatan nanotube karbon adalah urutan besarnya lebih tinggi dari serat lain yang biasa digunakan dalam komposit yang diperkuat serat. Konduktivitas listrik dan termal yang baik dari karbon nanotube juga memungkinkan pembuatan polimer konduktif untuk aplikasi elektronik yang menggunakan logam secara tradisional.
