211service.com
Nanogarens spinnen
Veel belangrijke technologieën - van batterij-elektroden en supergeleidende draden tot de katalysatoren in brandstofcellen - vertrouwen op materialen die poedervormige deeltjes bevatten, wat lastig te hanteren kan zijn. Nu, in een prestatie die de productie van veel van dergelijke technologieën zou kunnen vereenvoudigen en de weg zou kunnen wijzen naar een aantal radicaal nieuwe technologieën, hebben onderzoekers van de Universiteit van Texas een manier aangetoond om garen te spinnen uit nanobuisjes die doordrenkt zijn met nuttige poedervormige materialen.
Nano weefgetouw: Wegen van koolstof-nanobuis worden getrokken en gedraaid om garens te maken. De vier banen zijn hier 5,5 centimeter breed.
De onderzoekers hebben de methode gebruikt om stroken garen te maken die fungeren als batterij-elektrode, andere met supergeleidende eigenschappen en zelfreinigende garens.
Poeders zijn zeer belangrijke functionele materialen omdat ze een zeer groot oppervlak hebben, zegt Ray Baughman , die het MacDiarmid NanoTech Institute aan de Universiteit van Texas in Dallas leidt. Het probleem is dat poeders zonder vorm moeilijk te gebruiken zijn.
Lithium-ionbatterij-elektroden profiteren bijvoorbeeld van het grote oppervlak van poeders om een grotere opslagdichtheid te bereiken. Maar typisch moeten poeders bij elkaar worden gehouden door bindmiddelen die gewicht en stevigheid toevoegen, of ze moeten aan elkaar worden gesinterd tot vaste structuren, waarvoor de processen gecompliceerd zijn.
Baughman zegt dat de technologie die door zijn groep is ontwikkeld het gemakkelijker moet maken om met een breed scala aan poedervormige materialen te werken. Je kunt bijna elk poeder nemen en een naaibaar, breibaar, knoopbaar, vlechtbaar garen maken, zegt hij.
De onderzoekers beginnen met het kweken van een bos van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes in een chemische reactor. Vervolgens slepen ze een roller over de nanobuisjes, die loskomen van het oppervlak en verstrikt raken in een lang, rekbaar lint - een zogenaamd nanobuisje-web. Deze webben, ontdekte het team van Baughman, kunnen fungeren als een gastheer voor nanodeeltjes en poeders. De onderzoekers besproeien het oppervlak van het web met het poeder en draaien het vervolgens tot een garen. Het poeder zit opgesloten in de spiralen van het nanobuisje. Als je het wast, blijft bijna al het poeder behouden, zegt hij. De resulterende garens kunnen 95 tot 99 gew.% poeder zijn.
De groep van Baughman gebruikte een mengsel van boorpoeder en magnesium om supergeleidende garens te maken met een eenvoudig proces. Het conventionele proces voor het maken van supergeleidende draden omvat het verpakken van de poeders in koperen buizen en het tientallen keren verhitten en trekken om ze tot draden te rekken. Maar de supergeleidende garens worden slechts één keer verwarmd om de poeders te ontlaten en een supergeleidende draad te vormen.
De poeders behouden de eigenschappen die ze zo nuttig maken, zegt Matteo Pasquali , hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de Rice University, die niet bij het werk betrokken was. De methode van Baughman verandert in wezen deeltjes in vezels, zegt hij. Chemicaliën kunnen gemakkelijk in en uit de schaarse nanobuisjes bewegen en een interactie aangaan met het oppervlak van de deeltjes die erin zijn opgesloten.
Pasquali leidt een project bij Rice dat erop gericht is koolstof-nanobuisvezels te maken die zeer dicht en daarom zeer sterk en geleidend zijn. Deze zuivere nanobuisvezels zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt als verliesarme elektrische transmissiekabels of in supersterke structurele materialen. Als je eenmaal een vezel hebt, kun je die weven, in een polymeer doen [zoals glasvezel] of een stof maken, zegt Pasquali, die opmerkt dat het verwerken van textiel relatief goedkoop is.
Het team van Baughman maakte een batterij-elektrodeweefsel met lithium-ijzerfosfaatpoeders. De stof bestaat voor bijna 99 procent uit actief materiaal, dus het kan worden gebruikt om lichtgewicht batterijen te maken.
En natuurlijk, als iets eenmaal tot een stof kan worden gemaakt, kan het ook worden gedragen.
Yi Cui , universitair hoofddocent materiaalwetenschap en techniek aan de Stanford University, ontwikkelt ook op textiel gebaseerde apparaten voor energieopslag. Hij gelooft dat draagbare voedingen op een dag alledaagse gadgets van stroom kunnen voorzien. De belangrijke eigenschappen zijn kosten, gewicht en het vermogen om snel op te laden en te ontladen, en textielelektroden lijken in deze opzichten ideaal. Maar het is onwaarschijnlijk dat ze goed schalen voor toepassingen die een hoge totale energieopslagcapaciteit vereisen, zoals batterijen voor elektrische auto's.
De onderzoekers van de Universiteit van Texas zijn van plan om het project in verschillende richtingen te sturen. Naast het testen van verschillende poeders, experimenteren ze met verschillende manieren om ze te deponeren.
Op een dag zouden de garens kunnen worden gebruikt om grote hoeveelheden materiaal te produceren voor structurele fabricage. Op dit moment is het verstandiger om over batterijen te praten, niet over vliegtuigvleugels, vanwege het benodigde tonnage [materiaal], zegt Baughman. Zijn groep werkt samen met een paar bedrijven om de garens verder te ontwikkelen, waaronder een chemische fabrikant Lintech en koolstof-nanobuis textielmaker Nanocomp .