211service.com
Nanobuiskabels hebben een mijlpaal bereikt: zo goed als koper
Voor het eerst hebben onderzoekers koolstof-nanobuis elektrische kabels gemaakt die evenveel stroom kunnen dragen als koperdraden. Deze nanobuiskabels kunnen helpen meer hernieuwbare energie verder in het elektriciteitsnet te vervoeren, lichtgewicht bedrading te bieden voor zuinigere voertuigen en vliegtuigen en verbindingen te maken in computerchips met een laag vermogen. Onderzoekers van Rice University hebben nu koolstof-nanobuiskabels gedemonstreerd in een praktisch systeem en ontwerpen een productielijn voor commerciële productie.
Nanotech blinkt uit: Rice University-onderzoeker Yao Zhao demonstreert een opstelling die een koolstofnanobuiskabel gebruikt om standaard elektrische stroom naar een fluorescerende gloeilamp te geleiden.
Het is sinds de jaren tachtig een doel van nanotechnologen om lichtgewicht, efficiënte koolstofnanobuisbedrading zo geleidend als koper te maken. Individuele koolstofnanobuisjes - holle buizen van zuivere koolstof op nanoschaal - zijn mechanisch sterk en een orde van grootte beter geleidend dan koper. Maar tenzij koolstofnanobuisjes precies zo worden samengevoegd, hebben grotere structuren die ervan zijn gemaakt niet de overtreffende trap van de afzonderlijke buizen.
Jarenlang knutselen in het lab om de juiste assemblagetechnieken en ingrediënten te vinden, hebben onderzoekers geleid door Rice-hoogleraren in materiaalwetenschap mogelijk gemaakt Pulickel Ajayan en Enrique Barrera om eindelijk koolstof nanobuis kabels net zo goed te maken als koperen kabels. De nanokabels van de groep hebben een combinatie van eigenschappen die tot nu toe ongekend is. Ze zijn mechanisch sterk, maar toch flexibel genoeg om te worden geknoopt of geweven tot lange stukken draad. Ze voeren ongeveer 100.000 ampère stroom per vierkante centimeter materiaal, ongeveer evenveel als koperdraden, maar wegen een zesde zoveel. Ze presteren beter dan koper op een metriek die stroomdichtheid wordt genoemd, wat betekent dat ze meer elektriciteit over langere afstanden moeten kunnen transporteren zonder energie te verliezen aan warmte - een probleem met het huidige elektriciteitsnet en met computerchips. En omdat ze zijn gemaakt van koolstof, niet van metaal, corroderen ze niet.
Koolstof nanobuisjes variëren in hun geleidbaarheid, lengte en aantal lagen. De Rice-groep ontdekte dat wat het beste werkte relatief lange, dubbelwandige nanobuisjes waren, geleverd door medewerkers van de Tsinghua University in Peking. Elektronen bewegen zeer snel door individuele nanobuisjes, maar de stroom vertraagt wanneer de elektronen van nanobuis naar nanobuis moeten springen. Hoe langer de nanobuisjes, hoe minder dergelijke sprongen de elektronen in een bepaalde draadlengte hoeven te maken.
Het proces van het maken van nanokabels begint met een klomp dubbelwandige nanobuisjes die zijn behandeld om onzuiverheden te verwijderen. De onderzoekers voegen zwavelzuur toe aan de nanobuisjes zodat ze deze tot een dunne film kunnen verspreiden. Vervolgens grijpen ze met een pincet de rand van de film vast om een vezel te maken en trekken ze met een constante kracht om een lange kabel op te leveren - vergelijkbaar met hoe wolgaren wordt gemaakt door aan vlies te trekken en te draaien. Ze spoelen het zuur uit de kabel en stellen deze bij hoge temperaturen bloot aan jodiumdamp. Het jodium dringt door in de nanobuisjes in de kabel en verhoogt de geleidbaarheid van de kabel zonder afbreuk te doen aan de mechanische eigenschappen. En de Rice-groep heeft aangetoond dat de geleidbaarheid niet wordt beïnvloed wanneer de kabels aan elkaar worden geknoopt om grotere lengtes te maken.
Om aan te tonen dat op deze manier gemaakte kabels een standaard netspanning kunnen overbrengen, hebben ze er een gebruikt om een TL-lamp op een stopcontact aan te sluiten en het licht dagenlang aan te laten staan. Dit werk wordt online beschreven in het tijdschrift Natuurwetenschappelijke rapporten .
Nano-kabel: Deze kabel, gemaakt van koolstofnanobuisjes, kan net zoveel elektrische stroom vervoeren als een koperdraad.
Het is een bewijs van hoe volwassen deze materialen aan het worden zijn dat ze geleidbaarheden kunnen meten die nu gewone metalen overschrijden, zegt Michael Strange , een professor in chemische technologie aan het MIT die niet bij het werk betrokken was. Het overtreffen van metalen, zegt hij, is een mijlpaal.
Dit is heel opwindend, vooral gezien het enorme belang van het verminderen van het gewicht van [elektrische] kabels in vliegtuigen en auto's om de brandstofefficiëntie te verbeteren, zegt Ray Baughman , directeur van het NanoTech Institute en hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Texas in Dallas. Baughman was niet betrokken bij het werk.
Lucht- en ruimtevaartgigant Boeing is een van de bedrijven die de Rice-groep ondersteunen. Andere medewerkers en supporters zijn onder meer Chevron, het Amerikaanse ministerie van Energie, en NanoRidge-materialen van Houston.
Het doel is om een engineered product te maken, zegt Rice's Barrera. We geloven dat wat we hebben kunnen doen, schaalbaar is naar continue productiemethoden. De groep heeft in kaart gebracht hoe dit zou gebeuren op een productielijn en onderzoekt momenteel commercialisering met verschillende bedrijven, hoewel ze geen deals hebben bekendgemaakt.
Hoewel de kabels nu goed genoeg zijn om serieus na te denken over commerciële toepassingen, wil Ajayan ze nog beter maken. Ajayan merkt op dat ze tot nu toe alleen het vermogen van de dubbelwandige kabels hebben getest om wisselstroom te transporteren. Elektriciteit wordt over lange afstanden overgedragen in de vorm van wisselstroom. Een apart doel, zegt Ajayan, is om de kabels nog beter geleidend te maken dan koper. Een manier om dit te doen is om werkbare kabels te maken van enkelwandige koolstofnanobuizen, die inherent beter geleidend zijn, maar moeilijk tot vezels te spinnen waren.