Polimer matris nanokompozitlerde (PMNC) hemen hemen tüm
polimerler matris malzeme olarak kullanılabilir; vinil polimerler, kondensasyon
polimerleri, poliolefinler, çeşitli biyoparçalanabilir molekülleri de kapsayan
özel polimerler tipik örneklerdir. Metal matris nanokompozitlerde (MMNC)
kullanılan tipik metal matrisler Al, Mg, Pb, Sn, W, Fe, v.s. Seramik matris
nanokompozitlerde (CMNC) matris malzemeler Al2O3, SiC,
SiN, v.s. gibi seramik matrislerdir.
Nanokompozitlerde nano boyutlarda sentetik ve kristalin
takviyeler kullanılabilir; örneğin, Fe ve diğer metal tozlar, killer, silika,
TiO2 ve diğer metal oksitler gibi. Killer ve tabakalı silikatlar çok
küçük boyutlarda olabilmeleri, interkalasyon kimyasının iyi bilinmesi ve ayrıca
çok düşük konsantrasyonlarda kullanıldığına bile malzeme özelliklerinde
gelişmeler sağlaması nedenlerinden kullanım alanı en yaygın olan takviye
malzemelerdir. Bu takviye malzemelerinin pek çoğu bilinen tekniklerle
hazırlanır; kimyasal, mekanik (bilyeli öğütme gibi), buhar depozisyon, v.s.
gibi. Karbon nanotüplerin üretilmesinde genellikle buhar depozisyon yöntemi
kullanılır.
Takviye malzemelerde yüzey modifikasyonuyla takviyenin
homojen dağılımı ve matris ve nano boyutlu takviye malzeme arasında iyi bir
yüzey arası bağlanmanın sağlanması önemlidir. Karbon nanotüpler (CNT) için
sörfaktan kullanılması, oksidasyon veya yüzeylerin kimyasal fonksiyonlarının
artırılması gibi tipik bazı teknikler uygulanmaktadır. Özellikle polimer ve
seramik matrisler için kimyasal metotlar daha etkilidir. Nanokompozitlerde
kullanılan partiküller/dolgu maddeleri çeşitlidir.
0D
(sıfır-boyutlu) dolgu maddeleri/partiküllerin üç boyutu da nanometrik
akaladadır, aspect oranı bire yakındır: L/D~1; dolayısıyla malzeme, genellikle birbirine eşdeğer taneciklerden
oluşur. Nanometrik skalalı silikajel ve polihedral oligomerik silsesquioksan
(POSS), metalik nanopartiküller, karbon siyahı ve fullaren (bürünmüş grafen)
tipik örneklerdir.
1D
(bir-boyutlu) malzemelerin iki boyutu nanometrik skaladadır; malzeme 1-boyutlu
tel şeklindedir. Tipik örnekler olarak nanofiberler, nanoteller veya nanotüpler
gösterilebilir. Bunlar arasında en fazla araştırma ve çalışma yapılan 1D
sistemler karbon nanotüplerdir (CNT). CNT’ler, rulo grafenden hazırlanır.
2D
(iki-boyutlu) malzemelerin boyutlarından sadece biri nanometrik skaladadır,
malzeme iki-boyutlu bir disk veya platelet şeklindedir. Tipik örnekler
tek-tabakalı killer, grafit (doğal grafitten), grafen, ve tabakalı çift
hidroksitlerdir.
3D (üç-boyutlu)
malzemelerin hazırlanmasında özel metotlar uygulanır. Tipik bir örnek olarak grafenden
hazırlanan grafit gösterilebilir. Grafen, SP2 bağlı karbon yapılı, bir atom
kalınlığında düzlem levhadır; fevkalade yüksek kristallik derecesine ve elektronik
özelliklere sahiptir. Grafit, grafenin istiflenmesiyle hazırlanan üç-boyutlu
(3D) bir formdur.
Şekil-13: Grafen ve grafenden türetilen malzemeler; (a) grafen,
(b) grafit (istiflenmiş grafen), (c) karbon nanotüp (CNT) (rulo grafen), (d)
fullaren (bürünmüş)
Şekil-14: Nanomalzemelerin sınıflandırılması
Nanofiberler yüksek spesifik yüzey alanı, esneklik ve süper
kuvvete sahip malzemelerdir; bu özellikleriyle tekstilden havacılık sektörüne
kadar yayılan geniş bir uygulama alanına sahiptir. Fibrous yapının
işlenebilirliği ve performansına fiber çapının etkisi uzun zamandan beri
bilinmesine rağmen nanometre skalada fiber çaplarına sahip fiberler ancak
elektrospinning prosesinin bulunmasından sonra üretilebilmiştir. Nano skala
fiberlerin sentezi için birkaç alternatif metot geliştirilmiştir, ancak
bunların hiçbiri, çok basit olan elektrospinning prosesinin popülaritesine
ulaşamamıştır.
Elektrospinning polimer ergiyikten veya çözeltiden
yapılabilir. Ergiyik öncüllerle yapılan proseslerde sub-mikron seviyeler inmek
zordur, ve proses maliyeti yüksektir; dolayısıyla genellikle çözelti bazlı
elektrospinning metodu tercih edilir.
Elektrospinning (ince fiberlerin elektrostatik jenerasyonu)
teknikte, polimer akışkanın bulunduğu kapiler uçlu cam bir şırınga ve metalik
toplama hedefi arasında yüksek bir elektrik alanı yaratılır.
Şekil-15: (a)
Elektrospinning prosesi, (b ve c) rastgele ve dizili nanofiberlerin SEM
görüntüleri
Voltaj kritik bir değere ulaştığında elektrik alan kuvveti,
şırınganın ucundaki polimer çözeltisi damlacığının yüzey gerilimini yener ve
jet (fışkırma) olayı meydana gelir. Elektrikle yüklenen jet elektrik etkisiyle
bir dizi eğilip-bükülmelerle hiper-gerilmelere uğrar. Bu gerilme prosesi
solvent moleküllerinin hızla buharlaşmasına, dolayısıyla da jetin çapının
düşmesine yol açar. Kuru fiberler toplama eleği üzerinde birikir. Elde edilen
fiberlerin çapı, elektrik alanının ve polimer çözeltisi konsantrasyonunun
değiştirilerek prosesin kontrol altına alınmasıyla istenilen seviyelere
ayarlanabilir. Elektrotların tam olarak kontrol edilebildiği koşullarda dizili
(veya düzenli) fiberler de sentezlenebilir. Elektrospinning prosesinin şematik
diyagramı ile rastgele ve dizili nanofiberlerin görüntüleri Şekil-15’de
verilmiştir. Polimer nanofiberlere, elde edilmesinden sonra ~1000 0C’ye
kadar ısıtılarak karbonizasyon prosesi uygulanır. Genellikle karbonizasyon
prosesi esnasında malzemenin hacminde ve ağırlığında meydana gelen
değişiklikler karbon nanofiberlerin çapının düşmesine neden olur.
Elektrospinning metotla hazırlanan karbon nanofiberler çoğu
zaman dokuma veya keçe yapıdadır; bu tür bir yapı malzemenin süper kapasitörler
veya bataryalar için elektrot olarak kullanılmasına uygun bir formdur.
Top-down Sentezler:
Bu sentezlerde büyük (makroskobik) başlangıç malzemelerle çalışılır; oyma (ethchleme),
bilyeli öğütme ve şiddetli plastik deformasyon uygulama tipik örneklerdir.
Bottom-up Sentezler:
Bu gruba giren sentezlerde malzeme komponentleri çok çok küçüktür (atomik ve
moleküler seviyelerde). Tipik örnekler epiaksiyal büyüme sırasında kuantum
dotlar oluşumu, ve koloidal dispersiyondan nanotaneciklerin oluşmasıdır.
Bottom-up sentezler için iki farklı proses rotası izlenebilir: Gaz (buhar) faz
rotası (Şekil-17a), sıvı faz rotası (Şekil-17b).
Şekil-16: Nanoyapılı katı malzemelerin
hazırlanmasında top-down, ara, ve bottom-up yöntemler
