Las nanobobinas de carbono CNC son una clase exótica de nanocarburos de baja dimensión cuya forma helicoidal puede hacerlas adecuadas para aplicaciones tales como absorbedores de microondas y diversos componentes mecánicos como resortes. Los espesores y diámetros de bobina típicos de los CNC se encuentran dentro del rango de 100-400 nm y 400-1000 nm, respectivamente, y sus longitudes completas son mucho más grandes, del orden de varias decenas de micrómetros.A pesar del trabajo pionero anterior, las relaciones entre la forma geométrica de los CNC naturales y sus propiedades mecánicas y eléctricas, particularmentela resistividad eléctrica, no se entiende bien
Ahora, los investigadores de Toyohashi Tech, Universidad de Yamanashi, Instituto Nacional de Tecnología, Gifu College y Tokai Carbon Co., Ltd. han establecido que la resistividad de los CNC aumenta con el diámetro de la bobina. Esto requirió el desarrollo de una medición precisa de la resistividadmétodo, utilizando un haz de iones enfocado FIB y una técnica de nanomanipulador para seleccionar un CNC de muestra con la geometría de bobina deseada y luego hacer conexiones eléctricas firmes a los electrodos del instrumento. Todos los datos de resistividad obtenidos con los CNC se ajustaron bien mediante una curva predicha por unteoría conocida como salto de rango variable VRH, que es adecuada para materiales desordenados a bajas temperaturas.
La investigación muestra que el interior de la nanobobina contiene material que afecta sus propiedades eléctricas. Los científicos examinaron 15 CNC individuales y tres CNC que habían sido grafitados artificialmente para darles una resistividad más baja G-CNC. Aunque la resistividad delos CNC aumentaron con el diámetro de la bobina, casi sin cambios para los G-CNC. Como consecuencia, para los CNC con los diámetros más grandes, la resistividad fue casi dos órdenes de magnitud mayor que la de las versiones grafitadas. Esta gran discrepancia en ella resistividad entre los CNC y los G-CNC indica una complejidad estructural significativa dentro de los CNC. Nuestros resultados implican que el interior de los CNC con un diámetro de bobina grande está lleno de una red de carbono altamente desordenada que consta de muchas regiones pequeñas conocidas como dominios sp2 integradasen un mar de carbono amorfo. Para verificar esta teoría, se examinó la dependencia de la temperatura de la resistividad entre 4 K y 280 K. Los datos de resistividad obedecieron a dos didiferentes versiones de la teoría VRH;Se encontró que el régimen en el rango de temperatura de 50-280 K era la llamada versión Mott-VRH, mientras que en el rango de 4-20 K era la versión Efros-Shklovskii-VRH.Curiosamente, las curvas de resistividad cambiaron suavemente entre los regímenes a medida que cambiaba el diámetro de la bobina.
"Encontramos este comportamiento hace tres años. Debido a los esfuerzos de dos estudiantes, incluimos los datos de resistividad para G-CNC y nanofibras de carbono CNF, y los comparamos con los datos de los CNC", explica el profesor asociadoYoshiyuki Suda, "Estoy muy contento de que el Prof. Hiroyuki Shima y el Dr. Tamio Iida se unieran a este estudio. Obtuvimos los datos de medición de baja temperatura y lo discutimos utilizando la teoría VRH. Finalmente, llegamos a la conclusión de que este comportamiento es unfenómeno único para CNC y puede ser instalado por VRH ".
El primer autor, el estudiante del curso de maestría Yasushi Nakamura, comentó cómo fueron más allá de las mediciones de resistividad CNC de otros grupos. "Fue una tarea larga y desafiante. Tuve que preparar muchas muestras CNC individuales utilizando un aparato de haz de iones enfocado. Nuestro hallazgo se logró al establecer un sistema de medición preciso utilizando un microscopio electrónico de barrido y adquiriendo datos de resistividad para muchos CNC individuales ".
Los resultados actuales del grupo sobre resistividad están en acuerdo cualitativo con sus hallazgos previos sobre las propiedades mecánicas de los CNC: los experimentos de carga de tracción mostraron que su módulo de corte aumenta con el diámetro de la bobina. La correlación positiva entre el módulo de corte y el diámetro de la bobina es posiblemente causada porel hecho de que en los CNC de gran diámetro, la población de dominios sp2, que son frágiles contra el esfuerzo cortante, se reduce en comparación con los CNC de pequeño diámetro.
Estos resultados implican que, con nanocoils, la resistencia y la inductancia están definidas por factores geométricos. En particular, el diámetro de la bobina, el paso y la longitud son importantes. La correlación encontrada puede usarse para mejorar el control sobre la frecuencia pico deabsorción de ondas electromagnéticas, en la que se absorbe un rango particular de frecuencias ~ GHz, dependiendo de las propiedades de impedancia.
Estos hallazgos allanan el camino para nanodispositivos basados en CNC, que van desde absorbedores de ondas electromagnéticas hasta nano-solenoides y resortes mecánicos extrasensibles.
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Materiales proporcionados por Universidad de Tecnología de Toyohashi . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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