211service.com
Nanobuisjes veranderd in supervezels
Koolstofnanobuisjes hebben een superieure sterkte en geleidbaarheid, maar in de twee decennia sinds hun ontdekking is het moeilijk gebleken om er lange strengen van te maken die van die eigenschappen kunnen profiteren. Nu onderzoekers van Rice University en Nederlands materialenbedrijf Teijin Aramid maken draadachtige nanobuisvezels die de elektrische geleidbaarheid van metalen combineren met de sterkte van koolstofcomposieten, en zijn lichtgewicht, flexibel en thermisch geleidend.
Koolstof helder: Deze lichtemitterende diode van 46 gram wordt omhoog gehouden door twee nanobuisvezels van 24 micrometer dik. De vezels voeren ook elektrische stroom naar de lamp.
Teijin Aramid, gevestigd in Arnhem, Nederland, en een toonaangevende producent van zeer sterke vezels, is van plan om de op nanobuisjes gebaseerde materialen op de markt te brengen, waarschijnlijk eerst in bedrading voor vliegtuigen en satellieten, en uiteindelijk in elektronisch textiel en medische implantaten die bestand zijn tegen corrosie.
Individuele koolstofnanobuisjes zijn enkele van de sterkste, meest geleidende bekende materialen. Maar de meeste pogingen om er grotere materialen van te bouwen, resulteren in een verwarde puinhoop die geen van deze eigenschappen heeft. Het probleem is dat om dergelijke materialen te maken, je de nanobuisjes moet uitlijnen.
In 2003, onderzoekers van de Rice University onder leiding van: Richard Smalley maakte de eerste koolstof nanobuisvezels door een vloeibare suspensie van nanobuisjes door een vezelspinmachine te laten lopen van hetzelfde type dat wordt gebruikt voor het maken van commerciële polymeervezels zoals DuPont's Kevlar en Twaron, die wordt gemaakt door Teijin Aramid. De grondgedachte was dat de nanobuisjes door de vloeistof zouden stromen en op één lijn zouden komen te staan als boomstammen die op een rivier drijven. Deze uitlijning zou de vezel sterker en beter geleidend moeten maken. De eigenschappen van deze vroege vezels waren echter niet erg goed, zegt Matteo Pasquali , die nu het nanobuisvezelproject bij Rice leidt. Terwijl andere groepen zich richtten op het maken van nanobuisjes en vezels van droge materialen, bleef de Rice-groep bij zijn methode.
Destijds werkte het niet zo goed met nanobuisjes, maar Pasquali en Smalley geloofden dat als ze het spinproces konden verbeteren, dit uiteindelijk zou leiden tot vezels met betere eigenschappen dan de droge methoden, en geschikt zouden zijn voor grootschalige productie zoals dat gedaan met polymeren.
Nu heeft die beslissing zijn vruchten afgeworpen, zegt Pasquali. In samenwerking met Teijin Aramid heeft de Rice-groep nu koolstof-nanobuisvezels gemaakt die meer van de eigenschappen van individuele nanobuisjes hebben. Ze hebben een elektrische geleidbaarheid die dicht bij die van koper ligt, maar zijn veel sterker. Ze zijn niet zo sterk als conventionele koolstofvezels, maar ze zijn veel minder broos. En ze zijn beter warmtegeleidend dan metaal of koolstofvezel. Dat betekent dat nanobuisvezels deze materialen kunnen vervangen in bestaande toepassingen in de ruimtevaart en elektronica, en nieuwe technologieën mogelijk maken die profiteren van de unieke combinatie van sterkte, flexibiliteit en thermische en elektrische geleidbaarheid van de vezels. Pasquali stelt zich wasbaar elektronisch textiel, lichtgewicht bedrading voor vliegtuigen en uiteindelijk efficiëntere draden voor het elektriciteitsnet voor ogen.
De filamenten zijn ongeveer 25 micrometer dik en kunnen tot dikkere draden worden geweven om zwaardere lasten te dragen of om meer stroom te dragen. Pasquali zegt dat de groep de nanobuismaterialen nu continu kan produceren en dat het een paar uur duurt om een paar honderd meter te produceren. Dit werk wordt beschreven in het tijdschrift Wetenschap .
Marcin Otto, business development manager bij Teijin Aramid, zegt dat omdat de vezels zijn gemaakt met behulp van een natspinproces, ze betere eigenschappen hebben dan die gemaakt van droge nanobuisjes. Maar, geeft hij toe, Teijin Aramid zal moeten laten zien dat het in staat is om op grotere schaal te produceren.
Volgens Otto onderzoekt Teijin Aramid nu verschillende potentiële markten. Een mogelijkheid is lichtgewicht multifunctioneel textiel voor slimme kleding waarin medische sensoren, antennes en andere apparaten zijn geïntegreerd, die de stress van het vouwen kunnen overleven en corrosie in de wasmachine kunnen weerstaan. Maar vroege toepassingen zullen waarschijnlijk plaatsvinden in markten zoals elektrische bedrading voor ruimtevaart en defensie, waar elk grammetje van cruciaal belang is. Ten eerste moet het bedrijf de nodige engineering en tests doen om ervoor te zorgen dat de vezels kunnen worden opgeschaald om een betrouwbaar product te maken.