Węgiel to nowa czerń

Anonim

Inżynierowie z University of Cincinnati współpracują z bazą lotniczą Wright-Patterson, aby stworzyć ubrania, które mogą ładować telefon komórkowy.

Przejdź, Iron Man.

Dzięki temu możliwe jest unikalne właściwości nanorurek węglowych: duża powierzchnia, która jest mocna, przewodząca i odporna na ciepło.

Kolegium Nauk Technicznych i Nauk Stosowanych Uniwersytetu w UC ma pięcioletnią umowę z Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych do prowadzenia badań, które mogą ulepszyć aplikacje technologii wojskowej.

Profesor UC Vesselin Shanov współzarządza Nanoworld Laboratories w UC z partnerem badawczym i profesorem UC, Markiem Schulzem. Wspólnie wykorzystują swoje doświadczenie w inżynierii elektrycznej, chemicznej i mechanicznej do wytwarzania "inteligentnych" materiałów, które mogą zasilać elektronikę.

"Głównym wyzwaniem jest przełożenie tych pięknych właściwości, aby wykorzystać ich wytrzymałość, przewodność i odporność na ciepło" - powiedział Shanov.

Schulz powiedział, że produkcja znajduje się u progu renesansu węgla. Nanorurki węglowe zastąpią drut miedziany w samochodach i samolotach, aby zmniejszyć masę i zmniejszyć zużycie paliwa. Węgiel odfiltruje naszą wodę i powie nam więcej o naszym życiu i ciałach za pomocą nowych czujników biometrycznych.

Węgiel zastąpi poliester i inne włókna syntetyczne. Ponieważ nanorurki węglowe są najczarniejszymi obiektami na Ziemi, pochłaniającymi 99, 9 procent światła widzialnego, można powiedzieć, że węgiel to nowa czerń.

"W przeszłości dominowały metale wytwarzające dobra" - powiedział Schulz. "Ale myślę, że węgiel zastąpi metale w wielu zastosowaniach.

"Nastąpi nowa era węgla - rewolucja węglowa" - powiedział Schulz.

Laboratorium Nanoworld Lab UC kieruje zbiorową pracą 30 absolwentów i studentów studiów licencjackich.

Jedna z nich, pracownik naukowy UC Sathya Narayan Kanakaraj, współautorka badania badającego sposoby poprawy wytrzymałości na rozciąganie włókniny nanorurkowej z włókien węglowych. Jego wyniki opublikowano w czerwcu w czasopiśmie Materials Research Success.

Absolwent Mark Haase, spędził miniony rok badając aplikacje do nanorurek węglowych w Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych Wright-Patterson. Dzięki partnerstwu studenci UC korzystają z zaawansowanego sprzętu Air Force Lab, w tym tomografii komputerowej rentgenowskiej, do analizy próbek. Haase używał sprzętu Sił Powietrznych, aby pomóc swoim kolegom z projektów.

"To zmusza nas do pracy w grupach i do specjalizacji, są to te same dynamiki, które widzimy w badaniach korporacyjnych i przemyśle" - powiedział Haase. "W dzisiejszych czasach inżynieria to działalność grupowa, więc możemy z tego skorzystać."

Naukowcy z UC "hodują" nanorurki na waflach krzemowych o kwartalnym rozmiarze pod wpływem ciepła w komorze próżniowej w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej.

"Każda cząstka ma punkt zarodkowania, potocznie nazywamy ją ziarnem" - powiedział Haase.

"Nasz gaz zawierający węgiel jest wprowadzany do reaktora, kiedy gaz węglowy oddziałuje z naszym" nasieniem ", rozkłada się i ponownie formuje na powierzchni, pozwalamy mu rosnąć, aż osiągnie pożądany rozmiar" - powiedział.

Naukowcy mogą używać niemal każdego węgla, od alkoholu po metan.

"Pamiętam, że jedna z grup popisała się przy użyciu ciastek Girl Scout, jeśli zawiera węgiel, można go przekształcić w nanorurkę" - powiedział Haase.

Laboratorium Nanoworld Lab w UC ustanowiło rekord świata w 2007 roku, rozwijając nanorurkę o długości prawie 2 centymetrów, najdłuższą nanorurkę węglową wyprodukowaną w laboratorium w tym czasie. Dzisiejsze laboratoria mogą wytwarzać nanorurki, które są wielokrotnie dłuższe.

Badacze z UC rozciągają mały labirynt kwadratu nad przemysłową szpulą w laboratorium. Nagle ten maleńki arkusz węgla staje się nitką przędzalniczą przypominającą pajęczynę, którą można wplatać w tkaniny.

"To jest dokładnie jak tkanina" - powiedział Shanov. "Możemy je zmontować jak nici maszynowe i wykorzystywać je w zastosowaniach od czujników do śledzenia metali ciężkich w wodzie lub zasobnikach energii, w tym w super kondensatorach i akumulatorach."

Dla wojska może to oznaczać zastąpienie ciężkich baterii, które obciążają rosnącą liczbę elektroniki, które składają się na ładunek żołnierza: światła, noktowizory i sprzęt komunikacyjny.

"Aż jedna trzecia ich wagi to tylko akumulatory do zasilania całego sprzętu" - powiedział Haase. "Nawet jeśli możemy trochę tego ogolić, to jest to dla nich duża korzyść w terenie."

Naukowcy badają, w jaki sposób nanorurki węglowe mogą pomóc w dostarczaniu ukierunkowanych dawek leku.

"Na zewnątrz można dodać cząsteczkę białka. Komórki przeczytają to i powiedzą:" Chcę to zjeść ". Możemy dostarczać leki wspomagające zdrowe komórki, przywracające chore komórki lub nawet zabijające komórki rakowe "- powiedział Haase.

Ale pierwsi naukowcy chcą się upewnić, że nanorurki węglowe są nietoksyczne.

"Właśnie dlatego poruszają się powoli", powiedział Haase. "Badania wykazały, że przy wysokiej lub ostrej ekspozycji nanorurki węglowe mogą powodować uszkodzenie płuc podobne do azbestu. Ostatnią rzeczą, którą chcemy zrobić, to wyleczyć tylko jednego raka, aby odkryć, że daje inny".

Wstępne wyniki były obiecujące.

Nie szukaj mody z nanorurek węglowych na wybiegach paryskich w najbliższym czasie. Koszty są zbyt wygórowane.

"Pracujemy z klientami, którzy dbają bardziej o wydajność niż o koszty, ale gdy tylko udoskonalimy syntezę, znacznie wzrośnie skala, a koszty powinny odpowiednio wzrosnąć" - powiedział Haase. "Wtedy zobaczymy nanorurki węglowe rozłożone na wiele, wiele więcej aplikacji."

Na razie laboratorium UC może produkować około 50 metrów nanorurek węglowych na raz w celu przeprowadzenia badań.

"Większość wielkogabarytowych maszyn tekstylnych potrzebuje milionów nitek" - powiedział Haase. "Dojdziemy tam."

Do tego czasu produkcja masowa pozostaje jednym z większych nierozwiązanych problemów związanych z technologią nanorurek węglowych - powiedział Benji Maruyama, który kieruje Dyrekcją Materiałów i Produkcji w Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych. "Nadal potrzeba dużo pracy, aby skalować proces." Wyciągnięcie włókna z nanorurek węglowych z dysku krzemowego jest dobre dla badań w skali laboratoryjnej, ale nie dla stworzenia skrzydła samolotu lub kombinezonu lotniczego "- powiedział Maruyama.

"Jedyną rzeczą, która nas powstrzymuje, jest złamanie kodeksu dotyczącego tworzenia nanorurek węglowych na dużą skalę" - powiedział.

Maruyama próbuje rozwiązać ten problem za pomocą serii eksperymentów, które przeprowadza za pomocą autonomicznego robota badawczego o nazwie ARES. Robot projektuje i przeprowadza eksperymenty z nanorurkami węglowymi, analizuje wyniki, a następnie wykorzystuje te dane i sztuczną inteligencję do ponownego zdefiniowania parametrów dla następnego eksperymentu. W ten sposób może przeprowadzić 100 razy więcej eksperymentów w tym samym czasie, co naukowcy - powiedział.

"Dużą zaletą nanorurek węglowych jest brak materiałów, wystarczy metalowy katalizator - używamy żelaza i niklu - i węgla - nie jest to rzadkością" - powiedział Maruyama. "Kiedy mówimy o wytwarzaniu milionów ton nanorurek węglowych rocznie, nie produkujemy milionów ton czegoś rzadkiego".

Ostatecznym celem jest przekształcenie badań akademickich UC w rozwiązania rzeczywistych problemów, powiedział Shanov.

"Mamy luksus w środowisku akademickim, aby badać różne zastosowania" - powiedział Shanov. "Nie wszyscy mogą zobaczyć rynek, ale nawet jeśli 10 procent trafi, byłby to wielki sukces."

menu
menu