211service.com
Grafeen-polymeer composiet
Door een kleine hoeveelheid grafeen, een enkellaags plat vel koolstofatomen, door polymeren te verspreiden, hebben onderzoekers taaie, lichtgewicht materialen gemaakt. De composieten geleiden elektriciteit en zijn bestand tegen veel hogere temperaturen dan de polymeren alleen.
Klein maar stoer: Afbeeldingen van een scanning-elektronenmicroscoop tonen honderden nanometer lange grafeenvellen die zijn ingebed in een polymeer om het taaier, stijver, hittebestendiger en elektrisch geleidend te maken.
Polymeren kunnen worden doordrenkt met koolstofnanobuisjes om materialen met vergelijkbare eigenschappen te maken. Maar grafeen kan veel goedkoper zijn. Je kunt [grafiet] in zakken kopen voor dollars per pond, terwijl enkelwandige nanobuisjes honderden dollars per gram kosten, zegt Catherine Brinson , een professor werktuigbouwkunde aan de Northwestern University, die het werk leidde, dat online werd gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .
Grafeen kan ook minder toxiciteitsproblemen opleveren dan koolstofnanobuisjes. een aparte Natuur Nanotechnologie onderzoek heeft uitgewezen dat lange koolstofnanobuisjes bij muizen dezelfde toxische reacties veroorzaken als asbest. De zorg is dat koolstofnanobuisjes asbestvezels kunnen nabootsen, die dun genoeg zijn om in de longen door te dringen en kanker te veroorzaken. Grafeen daarentegen is slechts een nanometer dik, zegt Lawrence Drzal , directeur van het Composite Materials and Structures Center aan de Michigan State University. Ze zijn relatief groot in twee andere dimensies. Ze zullen niet door bloed-hersenbarrières of in cellen kunnen gaan.
Grafeen-polymeercomposieten zouden ideaal zijn voor het maken van lichtgewicht benzinetanks en plastic containers die voedsel wekenlang vers houden. Ze kunnen ook worden gebruikt om lichtere, zuinigere vliegtuig- en auto-onderdelen te maken, evenals sterkere windturbines, medische implantaten en sportuitrusting. Bovendien zijn het goede elektrische geleiders en kunnen ze worden gebruikt om transparante geleidende coatings voor zonnecellen en displays te maken.
Het voorschot maakt deel uit van een bredere onderzoeksinspanning om in nanodeeltjes ingebedde polymeren te maken. Koolstof- en glasvezels worden van oudsher gebruikt om polymeren te versterken - glasvezel is een bekend voorbeeld. In tegenstelling tot vezels is een zeer kleine hoeveelheid nanodeeltjes - minder dan 2 procent van het volume van de composiet - echter voldoende om het polymeer sterker en hittebestendig te maken. Doordat er minder vulstof wordt gebruikt, kan het composiet de rekbaarheid of transparantie van het polymeer behouden.
Nanodeeltjes van klei en nanobuisjes van koolstof zijn sterke kanshebbers voor gebruik in polymeercomposieten. Toyota maakt sommige motoronderdelen van klei-nylon composieten, die sterker zijn en veel hogere temperaturen aankunnen dan nylon. Met koolstof-nanobuis doordrenkte polymeren worden gebruikt om honkbalknuppels en golfclubs te maken, en ze kunnen worden gebruikt in auto-onderdelen zoals handgrepen en spatborden - onderdelen die gemakkelijker elektrostatisch te schilderen zijn als ze elektriciteit geleiden. Maar de hoge productiekosten van koolstofnanobuisjes hebben het gebruik ervan beperkt.
Grafeen zou een goedkoper alternatief kunnen zijn. De belangrijkste doorbraak die nodig was om de grafeen-polymeerhybride te maken, was het hebben van de juiste soort grafeenvellen. De onderzoekers hadden een of twee lagen grafeen nodig met een paar hydroxylgroepen of zuurstofatomen die aan het oppervlak bungelden: deze helpen grafeen zich aan het polymeer te binden en gelijkmatig te verspreiden. Onderzoekers van Princeton University, die co-auteurs van het artikel zijn, ontwikkelden een manier om dergelijke grafeenvellen te isoleren van grafietoxide door het materiaal snel uit te zetten bij hoge temperaturen.
Brinson en haar collega's van Northwestern vonden toen een manier om het grafeen gelijkmatig in het polymeer te verspreiden. Ze dispergeren grafeen in het ene oplosmiddel en lossen het polymeer op in een ander. Vervolgens mengen ze de twee totdat grafeen gelijkmatig door het polymeer is verdeeld en verdampen ze de oplosmiddelen.
Ondanks alle eigenschappen die we hebben aangetoond, presteren de grafeenplaten even goed of beter dan nanobuisjes, zegt Brinson. Met hetzelfde polymeer maakten de onderzoekers twee composieten, de ene met 1 gewichtsprocent koolstofnanobuisjes en de andere met dezelfde hoeveelheid grafeen. Door grafeen aan het polymeer toe te voegen, werd het 80 procent stijver, terwijl koolstofnanobuizen het iets meer dan 50 procent stijver maakten. Het grafeencomposiet was bestand tegen 30 ºC hogere temperaturen in vergelijking met het polymeer alleen, terwijl koolstofnanobuisjes de temperatuurstabiliteit niet verhoogden.
Het Noordwestelijke materiaal staat voor een taaie concurrent. Gebaseerd op technologie die Drzal van de Michigan State University heeft ontwikkeld, een bedrijf in East Lansing, MI, genaamd: XG Wetenschappen zet een proeffabriek op om verschillende gangbare polymeren te maken die grafeenplaatjes bevatten. De bloedplaatjes bevatten stapels van ongeveer vijf lagen grafeen, in tegenstelling tot een enkel vel. Drzal, de hoofdwetenschapper van het bedrijf, zegt dat stapels niet kreukelen of oprollen tijdens de verwerkingsmethoden die worden gebruikt om plastic producten te maken. Het is alsof je een enkel papier hebt versus 10 vellen papier ... De stapel is veel stijver en robuuster. Ze zijn ook goedkoper te produceren, zegt hij. Hoe meer u in de richting van een enkel blad krijgt, hoe duurder het proces.
Een veelbelovend gebruik voor grafeencomposieten zal zijn om brandstoftanks en voedselverpakkingen te maken. Gas- en vloeistofmoleculen kunnen doordringen door gewone polymeren, zegt: Rodney Ruoff van de Universiteit van Texas in Austin, die bij het werk betrokken was. Maar grafeencomposieten kunnen een ondoordringbare barrière vormen. Dat betekent dat de bekleding van de brandstoftank dampen binnen zou houden en statische elektriciteit zou afvoeren. Je zou broodjes zes maanden buiten de koelkast kunnen bewaren zonder dat er zuurstof doorheen komt en ze oxideren, stelt Ruoff voor.