211service.com
Supersterke koolstof-nanobuisvezels
Koolstofnanobuisjes die zijn gesponnen om lange garenachtige vezels te vormen, zouden zelfs de sterkste kogelvrije materialen op de markt kunnen overtreffen, maar het is een uitdaging gebleken om nanobuisjes in dergelijke materialen te veranderen. Nu zeggen onderzoekers dat ze de methode voor het maken van de vezels hebben verbeterd: ze kunnen ze sneller uit een hete oven trekken, de nanobuisjes beter op één lijn brengen en hun sterkte enorm verbeteren. Hoewel de koolstof-nanobuisvezels nog steeds alleen in kleine batches kunnen worden gemaakt - en alleen in korte lengtes, zeggen experts - zijn de vezels veelbelovend voor ultrasterke, veerkrachtige materialen, met mogelijke toepassingen van kogelvrije vesten tot olieboringen.
Nano-bestelling: Onderzoekers hebben verbeterde technieken voor het spinnen van vezels van koolstofnanobuisjes: ze zorgen ervoor dat de nanobuisjes in de vezel worden uitgelijnd, waardoor vezels ontstaan die zo sterk of sterker zijn dan materialen zoals Kevlar die worden gebruikt in kogelwerende vesten. Ook kunnen de nanobuisvezels, in tegenstelling tot gewone touwen, worden geknoopt zonder hun kracht veel te schaden.
Koolstofnanobuisjes zijn pijpachtige koolstofmoleculen met wanden van slechts één atoom dik. Ze zijn extreem sterk, elektrisch geleidend en moeilijk betrouwbaar te maken. Veel onderzoeksgroepen hebben gezwoegd om langere koolstofnanobuisjes te maken en deze in langere strengen te bouwen die kunnen worden gebruikt voor stevige stoffen en zelfs efficiënte hoogspanningsleidingen. (Zie 10 Opkomende technologieën .)
Alan Windle, een professor in materiaalkunde aan de Universiteit van Cambridge, in Engeland, maakte en testte de nieuwe nanobuisvezels samen met onderzoekers van het Natick Soldier Research Development Center in Massachusetts. Windle en zijn collega's trokken aan de nanobuisvezels en ontdekten dat de zwakkere brak bij spanningen rond één gigapascal, waardoor ze gram voor gram vergelijkbaar waren met staal.
De beter presterende koolstof-nanobuisvezels braken bij ongeveer zes gigapascal, beter dan de sterke punten die fabrikanten melden voor materialen die worden gebruikt in kogelvrije vesten, zoals Kevlar. Deze nanobuisvezels kwamen overeen met de hoogste gerapporteerde sterktes voor een paar van de sterkste commercieel verkrijgbare vezels, Zylon en Dyneema, die ook worden gebruikt in kogelvrije vesten. Een eenzame, extreem sterke nanobuis-vezel was van de hitlijsten en bereikte negen gigapascal stress - veel meer dan enig ander gerapporteerd materiaal - voordat hij brak. Eerder werk met koolstofnanobuisjes heeft vezels opgeleverd die bestand zijn tegen maximaal drie gigapascal.
Multimedia
Zie hoe koolstofnanobuisjes worden gesponnen tot ultrasterke vezels.
We zijn blij met de resultaten, maar ik zou niet zeggen dat we verrast zijn, zegt Windle. Het is bekend dat de eigenschappen van individuele nanobuisjes nog steeds vijf keer beter zijn. Hij voegt eraan toe: Dit maakt me optimistisch. Er is nog enorm veel ruimte voor verbetering.
Om de vezels te maken, gebruikten de onderzoekers een methode die in 2004 werd ontwikkeld door de groep van Windle, waarbij een oven koolstof verdampt en een stroom nanobuisjes uitblaast. Wanneer deze koolstofnanobuisjes in de lucht worden gevangen en rond een spoel worden gedraaid, vormen ze een vezel die bestaat uit miljarden moleculen die zijn uitgelijnd langs de lengte van de nanobuis.
Door de temperatuur van de oven aan te passen en aan te passen hoe snel ze de vezel opwinden, optimaliseerden de onderzoekers het proces, waardoor vezels 0,3 keer sterker werden dan die van andere groepen. De onderzoekers melden dat de verbetering grotendeels komt doordat de nanobuisjes bij sneller opwinden beter op elkaar aansluiten en strakker in elkaar passen. Ze voegden ook een stap toe om de vezels dichter te maken. Het team liet de vezels door acetongas leiden, dat condenseerde op de vezels en een vloeistof vormde. Er is een oppervlaktespanningseffect dat de nanobuisjes samentrekt, wat hun kracht verhoogt, zegt Windle.
De meest voor de hand liggende toepassing is voor kogelvrije vesten, zegt hij. Het ziet er veelbelovend uit in vergelijking met commercieel verkrijgbare vezels. Maar of het zal werken voor kogelvrije vesten zal niemand echt weten totdat we genoeg vezels hebben gemaakt om een stof te maken en er een kogel op te schieten, zegt Windle. Een recent computermodelleringsonderzoek suggereert dat kogels zouden stuiteren op een koolstof-nanobuisweefsel van slechts zes lagen dik.
Edwin Thomas, een professor in materiaalkunde en techniek aan het MIT, zegt dat als uit tests bleek dat zo'n stof echt kogels afstoot, je een showstopper hebt en dat het binnenkort in kogelvrije kleding zal zitten. Maar materialen zijn vaak niet goed bestand tegen plotselinge krachten, in tegenstelling tot langzamer trekken, voegt hij eraan toe. Niemand kent koolstofnanobuisjes met hoge belasting, omdat niemand het heeft gecontroleerd.
Een andere toepassing zou het boren naar olie kunnen zijn. Omdat koolstof-nanobuisvezels niet alleen sterk zijn, maar ook bestand zijn tegen hitte en corrosie, kunnen ze worden gebruikt in boren of pijpen om deze extreme omstandigheden het hoofd te bieden, zegt Thomas.
Thomas waarschuwt echter dat Windle en zijn collega's hun beste resultaten behaalden voor vezels van ongeveer één millimeter lang, blijkbaar omdat hoe langer de streng, hoe groter de kans is dat deze kleine stukjes koolstof en andere defecten bevat die deze verzwakken. Het aanpassen van de verwerking - de opwindsnelheid en de acetonbehandeling - zal de koolstofdeeltjes niet veranderen, zegt Thomas. Ze moeten teruggaan naar de chemische synthese om dat aan te pakken.
Als het leger er belangstelling voor zou hebben, zouden ze er kilometers van willen hebben, zegt hij. Toch geven de nieuwe resultaten hem veel hoop.