কার্বন ন্যানোটিউবের বৈদ্যুতিক এবং তাপ পরিবাহিতা কতটা ভালো?

কার্বন ন্যানোটিউবের বৈদ্যুতিক এবং তাপ পরিবাহিতা কতটা ভালো? ডেটার উপর ভিত্তি করে একটি সত্যিকারের কর্মক্ষমতা বিশ্লেষণ

পদার্থ বিজ্ঞানে, কার্বন ন্যানোটিউবের মতো কয়েক দশক ধরে কিছু পদার্থ গবেষকদের মোহিত করেছে। এই টিউবুলার স্ট্রাকচারগুলি, সম্পূর্ণরূপে কার্বন পরমাণু দ্বারা গঠিত এবং একটি মানুষের চুলের মাত্র এক দশ-হাজারতম ব্যাস পরিমাপ করে, পরবর্তী-প্রজন্মের সুপারম্যাটেরিয়ালগুলির জন্য প্রায় সমস্ত প্রত্যাশাকে মূর্ত করে৷ গ্রাহকদের সাথে কথোপকথনের সময়, একটি প্রশ্ন সর্বদাই উদ্ভূত হয়: কার্বন ন্যানোটিউবগুলির বৈদ্যুতিক এবং তাপ পরিবাহিতা কতটা ভাল? আজ, আমরা তথ্য এবং তথ্য সহ এই প্রশ্নের উত্তর দেব।

1. বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা: ইলেকট্রন একটি "সুপারহাইওয়ে" নিচে দৌড়াচ্ছে

CNT-এর বৈদ্যুতিক কর্মক্ষমতা বোঝার জন্য, প্রথমে তাদের গঠনের প্রশংসা করতে হবে। স্প² হাইব্রিডাইজেশনের মাধ্যমে কার্বন পরমাণুর বন্ধন-সবচেয়ে শক্তিশালী রাসায়নিক বন্ধনের মধ্যে পরিচিত। এই কনফিগারেশনে, ইলেক্ট্রনগুলি কার্যত কোন বাধা ছাড়াই টিউবের প্রাচীর বরাবর দ্রুত গতিতে চলতে পারে, এটি ব্যালিস্টিক ইলেক্ট্রন পরিবহন নামে পরিচিত একটি ঘটনা।

1.1 স্ট্রাইকিং সংখ্যা: তামার দশ হাজার গুণ

তাত্ত্বিক এবং পরীক্ষামূলক ফলাফল উভয়ই আকর্ষণীয়: নির্দিষ্ট নির্দেশাবলী বরাবর, CNT বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা প্রদর্শন করতে পারেতামার চেয়ে দশ হাজার গুণ বেশি. ঘরের তাপমাত্রায়, SWCNT-এর বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা 10³ S/cm পর্যন্ত পৌঁছতে পারে। এর মানে কি? যদি প্রচলিত তারগুলি আড়ম্বরপূর্ণ দেশের রাস্তার মতো হয় যেখানে ইলেকট্রনগুলি চলাচলের জন্য সংগ্রাম করে, CNT গুলি হল আটটি-লেন সুপারহাইওয়ের মতো যা নিরবচ্ছিন্ন ইলেক্ট্রন প্রবাহের অনুমতি দেয়৷

ক্যামব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ে পরিচালিত একটি মেটা-বিশ্লেষণে 266টি সমকক্ষ-পর্যালোচিত কাগজপত্র থেকে 1,304টি ডেটা পয়েন্ট পরীক্ষা করা হয়েছে। ফলাফলগুলি ইঙ্গিত করে যে ডোপড, সারিবদ্ধ কয়েকটি-প্রাচীরযুক্ত CNTs (FWCNTs) সেরা-পারফর্মিং বিভাগের প্রতিনিধিত্ব করে, অ্যাসিড-স্পুন ফাইবারগুলি বিশেষভাবে অসামান্য বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা দেখায়। যদিও ম্যাক্রোস্কোপিক সিএনটি অ্যাসেম্বলির বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এখনও তামার (বর্তমানে তামার প্রায় এক

1.2 কেন সিএনটি এত বেশি পরিবাহী?

ব্যাখ্যাটি কোয়ান্টাম মেকানিক্সে রয়েছে। প্রচলিত কন্ডাক্টরগুলিতে, ইলেকট্রনগুলি ক্রমাগত সংঘর্ষের সাথে সাথে চলতে থাকে, প্রতিরোধ তৈরি করে। CNT-তে, তাদের অত্যন্ত ছোট মাত্রা এবং নিখুঁত কাঠামোর কারণে, ইলেক্ট্রনগুলি প্রায় কোনও তাপ উত্পাদন ছাড়াই "ব্যালিস্টিকভাবে" ভ্রমণ করতে পারে। C–C বন্ডের sp² সংকরায়ন CNT পৃষ্ঠের ইলেকট্রনগুলিকে আলোর গতির 1/300 এর কাছাকাছি গতিতে চলতে দেয়, ইলেকট্রন গতিশীলতা 20,000 cm²/(V·s) এ পৌঁছায়।

তদ্ব্যতীত, তাদের চিরালিটির উপর নির্ভর করে, সিএনটিগুলি ধাতব বা অর্ধপরিবাহী আচরণ প্রদর্শন করতে পারে। এই টিউনযোগ্য বৈশিষ্ট্যটি ইলেকট্রনিক ডিভাইসে তাদের প্রয়োগের জন্য বিশাল সম্ভাবনা উন্মুক্ত করে। 2013 সালে, স্ট্যানফোর্ড ইউনিভার্সিটি সফলভাবে একটি প্রোটোটাইপ সেন্ট্রাল প্রসেসিং ইউনিট তৈরি করেছে যা সম্পূর্ণরূপে সিএনটি থেকে তৈরি করা হয়েছে। যদিও সেই সময়ে এর অপারেটিং ফ্রিকোয়েন্সি ছিল মাত্র 1 kHz, এটি এই পদ্ধতির সম্ভাব্যতা প্রমাণ করে।

2. তাপ পরিবাহিতা: হীরাকে অতিক্রম করে

যদি বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা সিএনটিগুলিকে ইলেকট্রনিক্সের জন্য অত্যন্ত আকর্ষণীয় করে তোলে, তবে তাদের তাপীয় কর্মক্ষমতা তাপ ব্যবস্থাপনায় বিশেষজ্ঞদের উত্তেজিত করেছে।

2.1 তাত্ত্বিক সীমা: 5800 W/(m·K)

তাত্ত্বিক ভবিষ্যদ্বাণীগুলি ইঙ্গিত করে যে সিএনটি সম্ভবত হীরার চেয়ে উচ্চতর তাপ পরিবাহিতা ধারণ করে, সম্ভাব্যভাবে তাদের বিশ্বের সবচেয়ে তাপীয় পরিবাহী উপাদান করে তোলে। নির্দিষ্ট সংখ্যা কি? SWCNTs একটি তাপ পরিবাহিতা পৌঁছতে পারে5800 W/(m·K), যখন MWCNT প্রায় 3000 W/(m·K) অর্জন করে। তুলনা করার জন্য, হীরা-সবথেকে ভালো প্রাকৃতিকভাবে উৎপন্ন তাপ পরিবাহী-এর তাপ পরিবাহিতা প্রায় 2200 W/(m·K)। অন্য কথায়, সিএনটি হীরার চেয়ে তিন গুণেরও বেশি ভাল তাপ পরিচালনা করতে পারে।

2.2 তত্ত্ব থেকে অনুশীলন পর্যন্ত

অবশ্যই, একটি পৃথক CNT এর তাপ পরিবাহিতা পরিমাপ করা অত্যন্ত চ্যালেঞ্জিং। পৃথক MWCNT-তে প্রাথমিক পরিমাপ 3000 W/(m·K), তাত্ত্বিক ভবিষ্যদ্বাণীর সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ মান প্রদান করে।

স্পষ্ট করার জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হল যে যখন সিএনটিগুলি ম্যাক্রোস্কোপিক পদার্থ যেমন ফিল্ম বা ফাইবারগুলিতে একত্রিত হয়, তখন সামগ্রিক তাপ পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়। কারণটি সহজ: উপাদানের মধ্যে নল-থেকে-টিউব পরিচিতি এবং শূন্যতা তাপ প্রবাহকে বাধা দেয়। উদাহরণস্বরূপ, যখন SWCNT গুলিকে একটি বাল্ক শীটে চাপানো হয়, তখন পরিমাপ করা ঘর-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা প্রায় 35 W/(m·K) হয়। এর মানে এই নয় যে সিএনটি নিজেরাই খারাপভাবে কাজ করে; বরং, এটি হাইলাইট করে যে ম্যাক্রোস্কোপিক সমাবেশগুলিতে ন্যানোস্কেল ব্যতিক্রমী বৈশিষ্ট্যগুলি স্থানান্তর করা বাণিজ্যিকীকরণের জন্য একটি মূল চ্যালেঞ্জ।

2.3 তাপ পরিবাহী প্রক্রিয়া: ফোননগুলির ভূমিকা

CNT-তে তাপ পরিবাহিতা প্রাথমিকভাবে ফোনন দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। গবেষণা ইঙ্গিত করে যে CNT-তে ফোননগুলির গড় মুক্ত পথ প্রায় 0.5-1.5 μm। sp² কাঠামো ফোনন পরিবহনের সুবিধা দেয়, যা CNT-কে তাদের অসামান্য তাপীয় বৈশিষ্ট্য দিয়ে দেয়। এই দক্ষ তাপ অপচয় ক্ষমতা ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশন পাওয়া গেছে. ইউএস ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট অফ স্ট্যান্ডার্ডস অ্যান্ড টেকনোলজি (এনআইএসটি)-এর গবেষকরা এমনকি একটি MWCNT-ভিত্তিক আবরণ তৈরি করেছেন যা পলিউরেথেন ফোমের দাহ্যতা 35% কমিয়ে দেয়, CNT-এর দ্রুত তাপ অপচয় এবং প্রচণ্ড তাপের মধ্যে একটি প্রতিরক্ষামূলক চর স্তর গঠনের জন্য ধন্যবাদ।

3. এই বৈশিষ্ট্যগুলি অনুশীলনে কী করতে পারে?

চিত্তাকর্ষক তাত্ত্বিক ডেটা শেষ পর্যন্ত ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে অনুবাদ করতে হবে। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে পরিবাহী সংযোজন হিসাবে CNT-এর ব্যবহার একটি সুপ্রতিষ্ঠিত উদাহরণ-।

3.1 লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে পরিবাহী নেটওয়ার্ক

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি ক্যাথোড সামগ্রীতে, প্রায় 1.5% একটি CNT লোডিং প্রচলিত কার্বন কালো 3% এর মতো একই প্রভাব অর্জন করতে পারে। আরও গুরুত্বপূর্ণ, CNTs একটি তৈরি করেত্রি-মাত্রিক পরিবাহী নেটওয়ার্ক. এক-মাত্রিক CNT, সক্রিয় কণাগুলির সাথে একত্রে, একটি 3D নেটওয়ার্ক তৈরি করে যা কার্যকরভাবে সক্রিয় উপাদান এবং বর্তমান সংগ্রাহকের মধ্যে ইলেকট্রন পরিবহনকে উন্নত করে। উদাহরণস্বরূপ, লিথিয়াম ম্যাঙ্গানিজ অক্সাইড (LiMn₂O₄) উপাদানের সাথে, MWCNT যোগ করার ফলে 20 চক্রের পরে 99% ধারণ ক্ষমতা পাওয়া যায়, যেখানে বিশুদ্ধ উপাদানের জন্য শুধুমাত্র 90% এর তুলনায়।

লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড (LiCoO₂) সিস্টেমের কর্মক্ষমতা সমানভাবে চিত্তাকর্ষক। 2C হারে, LiCoO₂/MWCNT কোষগুলি ন্যূনতম ক্ষমতা বিবর্ণ দেখায়, যেখানে কার্বন ব্ল্যাক বা কার্বন ফাইবার ধারণকারী কোষগুলি 20 চক্রের পরে যথাক্রমে 10% এবং 30% ক্ষমতা হ্রাস প্রদর্শন করে। কারণটি সোজা: CNTs দ্বারা গঠিত পরিবাহী নেটওয়ার্ক চার্জ স্থানান্তরকে সহজ করে এবং প্রতিবন্ধকতা হ্রাস করে।

3.2 লিথিয়ামের বাইরে-আয়ন ব্যাটারি

ব্যাটারির বাইরে, CNT গুলি অন্যান্য অনেক ক্ষেত্রে প্রবেশ করছে:

মহাকাশ: এমআইটি-তে তৈরি একটি সিএনটি ফিল্ম কম্পোজিট উপাদানগুলিকে তাপ ও ​​নিরাময় করতে পারে, তুলনামূলক শক্তির উপাদানগুলি তৈরি করার সময় ঐতিহ্যবাহী অটোক্লেভগুলির জন্য প্রয়োজনীয় শক্তির মাত্র 1% খরচ করে৷

ইলেকট্রনিক্স: CNT- ভিত্তিক ট্রানজিস্টরগুলি ছোট এবং আরও পরিবাহী, সিলিকন সফল হওয়ার সম্ভাবনা সহ।

এনার্জি স্টোরেজ এবং থার্মাল ম্যানেজমেন্ট: সুপারক্যাপাসিটর, থার্মাল ইন্টারফেস উপকরণ এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে নতুন অ্যাপ্লিকেশন দ্রুত উদ্ভূত হচ্ছে।

4. বাণিজ্যিকীকরণ প্রক্রিয়ায় শানডং তানফেং

তাত্ত্বিক তথ্য এবং অত্যাধুনিক{0}}অ্যাপ্লিকেশানগুলি নিয়ে আলোচনা করার পর, আসুন আমরা বাস্তব বাস্তবতায় ফিরে যাই। একটি উপাদান যতই চমৎকার হোক না কেন, যদি তা স্কেলে উত্পাদিত না হয় বা নির্ভরযোগ্যভাবে সরবরাহ করা না যায়, তা শিল্পের জন্য একটি বিভ্রম থেকে যায়।

শানডং তানফেং নিউ মেটেরিয়াল টেকনোলজি কোং, লি.গার্হস্থ্য CNT বাণিজ্যিকীকরণ প্রক্রিয়ার একটি উল্লেখযোগ্য অংশগ্রহণকারী। CNT এর গবেষণা ও উন্নয়ন, উৎপাদন এবং বিক্রয়ের জন্য নিবেদিত একটি প্রযুক্তিভিত্তিক উদ্যোগ হিসেবে-, Shandong Tanfeng-এর পণ্য পোর্টফোলিওতে MWCNT পাউডার, SWCNT পাউডার, CNT পরিবাহী পেস্ট, CNT পরিবাহী মাস্টারব্যাচ এবং সিলিকন-কার্বন অ্যানোড সামগ্রী রয়েছে৷

কোম্পানির কাছে CNT, সিলিকন-কার্বন অ্যানোড সামগ্রী, এবং বুদ্ধিমান সরঞ্জাম উত্পাদন সম্পর্কিত দশটিরও বেশি সক্রিয় পেটেন্ট রয়েছে৷ এই পেটেন্ট প্রযুক্তিগুলি পরীক্ষাগারের বিকাশ থেকে ব্যাপক উত্পাদন পর্যন্ত প্রযুক্তিগত নির্ভরযোগ্যতা নিশ্চিত করে। বর্তমানে, শানডং তানফেং-এর পণ্যগুলি সাতটি প্রধান সেক্টরে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়: নতুন শক্তির যান, উন্নত পলিমার কম্পোজিট, ইলাস্টোমার, মহাকাশ, রেল পরিবহন, বায়ু শক্তি উৎপাদন, এবং হাইড্রোজেন শক্তি সঞ্চয়।

CNT পাউডারের জন্য, Shandong Tanfeng TF-210, TF-300, TF-400, এবং TF-500 সহ একাধিক গ্রেড তৈরি করেছে, যার বিশুদ্ধতা 99% এর চেয়ে বেশি বা সমান এবং দৈর্ঘ্য 5 থেকে 15 μm, বিভিন্ন গ্রাহকদের প্রক্রিয়ার প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে। চূড়ান্ত কর্মক্ষমতার জন্য উচ্চ আকৃতির অনুপাত সহ MWCNTs বা SWCNTs প্রয়োজন কিনা, উপযুক্ত সমাধানগুলি উপলব্ধ।

সরবরাহকারীর বিপরীতে যারা শুধুমাত্র পাউডার অফার করে, Shandong Tanfeng CNT পরিবাহী পেস্টও সরবরাহ করে, যা নিম্নধারার গ্রাহকদের সাধারণত বিচ্ছুরণের জন্য প্রয়োজনীয় প্রক্রিয়া অনুসন্ধান এড়াতে সহায়তা করে। এটি লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি প্রস্তুতকারকদের জন্য বিশেষভাবে মূল্যবান, কারণ একইভাবে সিএনটি গুলিকে স্লারিতে ছড়িয়ে দেওয়া শিল্পে একটি স্বীকৃত প্রযুক্তিগত চ্যালেঞ্জ রয়ে গেছে৷ এর ভিতরে-উন্নত বিচ্ছুরণ প্রযুক্তি ব্যবহার করে, Shandong Tanfeng সামঞ্জস্যপূর্ণ ব্যাচের গুণমান নিশ্চিত করে, যা গ্রাহকদের সত্যিকার অর্থে "ব্যাগের বাইরে ব্যবহার করতে" অনুমতি দেয়।

5. একটি বাস্তবসম্মত দৃষ্টিকোণ: পারফরম্যান্স এবং বাস্তবতার মধ্যে

পদার্থ বিজ্ঞানী এবং প্রকৌশলী হিসাবে, আমাদের অবশ্যই নক্ষত্র এবং মাটি উভয়ের দিকেই চোখ রাখতে হবে। CNT-এর বৈদ্যুতিক এবং তাপ পরিবাহিতা প্রকৃতপক্ষে তাত্ত্বিক "সিলিং" কিন্তু ব্যবহারিক প্রয়োগে বেশ কিছু তথ্য স্বীকার করতে হবে:

প্রথমত, ন্যানোস্কেল বৈশিষ্ট্যগুলি ম্যাক্রোস্কোপিক বৈশিষ্ট্যগুলির সমান নয়।একটি পৃথক CNT এর তাপ পরিবাহিতা হতে পারে 5800 W/(m·K), কিন্তু CNT থেকে তৈরি একটি ম্যাক্রোস্কোপিক ফিল্ম মাত্র কয়েক দশ অর্জন করতে পারে। এটি সিএনটি-তে কোনো ঘাটতির কারণে নয়, বরং ম্যাক্রোস্কোপিক অ্যাসেম্বলিতে নল-টিউবের যোগাযোগ এবং শূন্যতার কারণে যা উল্লেখযোগ্য তাপীয় প্রতিরোধের পরিচয় দেয়।

দ্বিতীয়ত, বিচ্ছুরণ একটি ধ্রুবক চ্যালেঞ্জ।সিএনটিগুলির উচ্চ পৃষ্ঠতল এবং শক্তিশালী ভ্যান ডের ওয়ালস বাহিনী রয়েছে, যা তাদের সমষ্টির প্রবণ করে তোলে। সঠিক বিচ্ছুরণ ছাড়া, এমনকি সর্বোচ্চ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতাও উপলব্ধি করা যায় না। শানডং তানফেং-এর দেওয়া প্রাক-বিচ্ছুরিত পেস্টগুলি এই ব্যথার বিন্দুর প্রতিকার করার উদ্দেশ্যেই।

তৃতীয়ত, উপাদান নির্বাচন অবশ্যই অ্যাপ্লিকেশনের সাথে মেলে।পরিবাহী সংযোজনের প্রয়োজনীয়তা লিথিয়াম আয়রন ফসফেট (LFP) ব্যাটারি এবং নিকেল-কোবাল্ট-ম্যাঙ্গানিজ (NCM) ব্যাটারির মধ্যে, সেইসাথে সিলিকন-কার্বন অ্যানোড এবং গ্রাফাইট অ্যানোডগুলির মধ্যে আলাদা। প্রচলিত শক্তির-টাইপ সেলের জন্য, MWCNTs সর্বোত্তম খরচ-কার্যকারিতা প্রদান করে। দ্রুত-চার্জিং বা সিলিকন-অ্যানোড সিস্টেমের জন্য, SWCNT এর প্রয়োজন হতে পারে। Shandong Tanfeng-এর মাল্টি{10}}গ্রেড প্রোডাক্ট ম্যাট্রিক্স ডিজাইন করা হয়েছে যাতে গ্রাহকদের তাদের চাহিদা অনুযায়ী নির্বাচন করার নমনীয়তা প্রদান করা হয়।

বেশ কয়েক বছর আগে, একটি শিল্প প্রদর্শনীতে, একজন প্রকৌশলী একটি CNT নমুনা ধরেছিলেন এবং আমাকে জিজ্ঞাসা করেছিলেন, "এই উপাদানটির ডেটা এত চিত্তাকর্ষক দেখাচ্ছে। কেন আমরা এটি দিয়ে আদর্শ ফলাফল অর্জন করতে পারি না?" সেই সময়ে, আমি উত্তর দিয়েছিলাম: "একটি উপাদানের বৈশিষ্ট্য এবং একটি পণ্যের কার্যকারিতা দুটি ভিন্ন জিনিস। আগেরটি অন্তর্নিহিত ক্ষমতার উপর নির্ভর করে; পরেরটি দক্ষতার উপর নির্ভর করে।"

আমি আজও সেই দৃষ্টিভঙ্গি ধরে রাখি। CNT-এর অন্তর্নিহিত ক্ষমতা সন্দেহের বাইরে-তারা তামার চেয়ে ভালো বিদ্যুৎ এবং হীরার চেয়ে ভালো তাপ পরিচালনা করে। কিন্তু সেই অন্তর্নিহিত সামর্থ্যকে স্থিতিশীল, নির্ভরযোগ্য পণ্যে রূপান্তর করার জন্য শানডং তানফেং-এর মতো কোম্পানিগুলির-পেটেন্ট প্রযুক্তি, উৎপাদন অভিজ্ঞতা, এবং সঞ্চিত অ্যাপ্লিকেশন দক্ষতা-কে স্থিরভাবে "দক্ষতা"-এ রূপান্তরিত করতে প্রয়োজন৷

আপনি যদি CNT পাউডার বা পরিবাহী পেস্টের একটি নির্ভরযোগ্য সরবরাহকারী খুঁজছেন, বা আপনার পণ্যগুলিতে কীভাবে CNT প্রয়োগ করা যেতে পারে তা অন্বেষণ করতে চান, অনুগ্রহ করে Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. এর সাথে যোগাযোগ করুন। আসুন আলোচনা করুন কিভাবে এই "সুপার উপাদান" আপনার পণ্যকে শক্তিশালী করতে পারে।