Nanobuis vezels

In een laboratorium van Rice University spoelt een zwarte vezel met de diameter van een mensenhaar in een beker ether. De streng, die bestaat uit pure nanobuisjes, is het hoogtepunt van bijna tien jaar experimenteren. Chemisch ingenieur Matteo Pasquali en zijn collega's hebben nanobuisjes gesponnen tot vezels van honderden meters lang, wat bewijst dat commercieel bruikbare productietechnieken kunnen worden ontwikkeld om materialen op macroschaal te produceren van deze cilindrische moleculen van pure koolstof.

Chemisch ingenieur Matteo Pasquali, die koolstofnanobuisjes tot vezels spint in zijn laboratorium aan de Rice University in Houston.

Koolstofnanobuisjes tot vezels maken was een bijzondere droom van wijlen Rice-professor Richard Smalley, die in 1996 de Nobelprijs voor scheikunde deelde voor zijn ontdekking van de bolvormige koolstofmoleculen die buckyballs worden genoemd. Individuele nanobuisjes hebben opmerkelijke eigenschappen: ze zijn licht van gewicht, ze zijn sterk en ze kunnen elektrisch geleidend zijn. Maar het was moeilijk om ze samen te voegen tot grote constructies met deze eigenschappen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2010

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

In 2001 begon Smalley vloeibare verwerking te gebruiken om koolstofnanobuizen te spinnen tot vezels die de elektrische en mechanische eigenschappen van de buizen over kilometers lengte behielden - een idee dat, gaf hij toe, echt waanzinnig extreem was (zie Wires of Wonder, maart 2001) . Dergelijke vezels zouden sterker zijn dan staal en beter geleiden dan koper. Smalley stelde zich voor dat ze in kabels waren geweven die efficiënt elektriciteit van afgelegen wind- en zonneparken naar bewoonde gebieden konden transporteren, zonder energie te verliezen aan warmte. Pasquali, die vanaf het begin deel uitmaakte van het project en het na de dood van Smalley in 2005 overnam, erkent dat hij begon als een scepticus. Ik dacht dat het complete waanzin was, omdat koolstofnanobuisjes niet oplosbaar zijn in vloeistof - en ik ben een vloeistof, zegt hij.

Andere onderzoekers hebben vezels op macroschaal gemaakt van droge nanobuisjes, ze uit verticale arrays getrokken of ze als wol rondgedraaid als ze uit een reactor komen. Maar de individuele nanobuisjes in deze vezels staan ​​niet op één lijn, en een goede uitlijning is van cruciaal belang: verwarde massa's van de moleculen dragen geen elektriciteit goed en ze zijn niet sterk. Pasquali wist dat nanobuisjes die in oplossing werden gebracht, zich zouden opstellen als boomstammen die in een rivier drijven, wat resulteert in goed geordende vezels.

De groep bereikte een doorbraak in 2004, toen ze redeneerden dat de methoden die worden gebruikt om Kevlar-vezels te maken, een onderdeel van kogelvrije vesten, ook zouden kunnen werken met nanobuisjes. Net als nanobuisjes is het Kevlar-polymeer lang, dun en moeilijk op te lossen in oplossing; de vezels worden gemaakt door het polymeer te mengen met zwavelzuur en vervolgens de oplossing door naalden te schieten die zijn gegroepeerd als de gaten in een douchekop.

De Rice-onderzoekers slaagden erin om met zwavelzuur slechts kleine hoeveelheden nanobuisjes op te lossen. Maar als ze chloorsulfonzuur gebruikten, een zogenaamd superzuur, konden ze hoge concentraties nanobuisjes in oplossing krijgen. De buizen vormen een vloeibaar kristal, waarin ze al zijn uitgelijnd - een enorm voordeel bij het maken van vezels.

Een lijn draaien

Pasquali's groep begint het spinproces met enkelwandige nanobuisjes die in een nabijgelegen laboratorium zijn gemaakt met behulp van een proces dat oorspronkelijk door Smalley is ontwikkeld. In een hogedrukreactor waar de temperatuur 1.000 °C bereikt, valt koolmonoxide op druppeltjes zuivere ijzerkatalysator en ontleedt het. De koolstofatomen hopen zich op tot holle cilinders met een diameter van ongeveer een nanometer en een lengte van enkele honderden nanometers. Deze nanobuisjes komen uit de reactor in donzige zwarte driften; ze worden bewaard in emmers van vijf gallon die tot aan het plafond zijn gestapeld, elk met slechts 200 gram.

Nanobuisjes die in deze reactor worden gemaakt, bevatten sporen van ijzer die moeten worden verwijderd voordat de buisjes tot vezels kunnen worden verwerkt. Afgestudeerde student Colin Young vult een glazen kamer met nanobuisjes die in een oven met zuurstof zijn behandeld om het ijzer te oxideren, waardoor het oplosbaar wordt. In een zuurkast bevestigt hij de kamer boven een fles zoutzuur. Hij zet een verwarmingsblok onder het zuur aan om het te koken. Terwijl het condenseert en op de nanobuisjes druppelt, lost het zuur het ijzer op; de buizen blijven onaangeroerd.

Na hun zure douche laadt afgestudeerde student Natnael Behabtu de nanobuisjes en chloorsulfonzuur in een roestvrijstalen buis die is uitgerust met zuigers die de nanobuisjes gelijkmatig in één richting wrijven om ze aan te moedigen om op één lijn te komen. De resulterende viskeuze oplossing is 8 gew.% vloeibaar-kristal nanobuisjes.

Hij maakt dan de helft van de kamer los, en een van de zuigers ermee, en vervangt deze door een onderdeel dat is uitgerust met een draaiende naald. De zuiger duwt de vloeistof door een glazen filter (dat verstopping voorkomt), in de naald en naar buiten in een wachtbad met diethylether. Het zuur is oplosbaar in de ether, maar de nanobuisjes niet, dus het resultaat is een zuivere nanobuisvezel, 50 tot 100 micrometer in diameter en vele meters lang.

opmeten

Om de treksterkte van de vezels te meten, gebruikt Young lijm om een ​​korte vezel op een kartonnen frame te kleven. Hij klemt dit in de metalen bankschroeven van een stresstester, snijdt het frame door en trekt aan beide uiteinden aan de vezel totdat deze breekt. De vezels zijn momenteel bestand tegen ongeveer 350 megapascal druk voordat ze bezwijken - iets minder dan een mensenhaar, dat als redelijk sterk wordt beschouwd vanwege zijn diameter.

De sterkte van de vezels hangt af van de wrijving die wordt gegenereerd waar nanobuisoppervlakken op elkaar inwerken. Langere nanobuisjes genereren meer wrijving en dus sterkere vezels. De Rice-nanobuisjes – die Pasquali gemakshalve gebruikt – zijn relatief kort. Maar hij onderzoekt samenwerkingsverbanden met vezelspinbedrijven en fabrikanten van koolstofnanobuisjes die aanvullende spinexpertise en langere nanobuisjes kunnen bieden. Pasquali hoopt uiteindelijk de treksterkte van de vezels meer dan vertienvoudigd te krijgen.

Er is nog steeds één groot obstakel voor het realiseren van Smalleys droom om nanobuisjes te gebruiken om het elektriciteitsnet opnieuw te maken. De vezels van Pasquali hebben een elektrische weerstand van 120 micro-ohm per centimeter, ongeveer acht keer groter dan die van koperdraden. De reden is dat elke methode voor het kweken van nanobuisjes resulteert in een mix van geleidende en halfgeleidende versies. Om ervoor te zorgen dat nanobuisvezels voldoende stroom kunnen transporteren om koper te verdringen, moeten ze volledig uit geleidende nanobuisjes bestaan. De Rice-groep is van plan om vezels van geleidende nanobuizen te scheiden van de niet-geleidende buizen om te bepalen of dergelijke geleidbaarheid mogelijk is. Maar het sorteerproces van vandaag maakt de nanobuisjes te duur voor gebruik in elektrische transmissie.

Pasquali blijft echter optimistisch dat deze tweede uitdaging zal worden overwonnen, net zoals hij het probleem van het spinnen van nanobuisjes tot lange vezels heeft opgelost. En hij is er zeker van dat wanneer dat het geval is, sterke, lichtgewicht nanobuisdraden eindelijk de zware en inefficiënte met staal versterkte aluminium kabels kunnen vervangen die in het huidige elektriciteitsnet worden gebruikt, precies zoals Smalley zich had voorgesteld.

zich verstoppen