Een professor in Virginia Tech's College of Science wil vliegtuigen en auto's aandrijven met energie die is opgeslagen in hun buitenste schelpen. Hij heeft misschien een pad naar die visie ontdekt met behulp van poreuze koolstofvezels gemaakt van zogenaamde blokcopolymeren.

Koolstofvezels, al bekend als een hoogwaardig technisch materiaal, worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. Een toepassing is de schelpen van luxe auto's zoals Mercedes-Benz, BMW, of Lamborghini.

Koolstofvezels, dunne haarachtige strengen koolstof, beschikken over meerdere primaire materiaaleigenschappen:ze zijn mechanisch sterk, chemisch resistent, elektrisch geleidend, brandvertragend, en misschien wel het belangrijkste, lichtgewicht. Het gewicht van koolstofvezels verbetert de brandstof- en energie-efficiëntie, snellere vliegtuigen en voertuigen produceren.

Materialen ontwerpen voor structuur en functie

Guoliang "Greg" Liu, een assistent-professor bij de afdeling Scheikunde, kwam op het idee om koolstofvezels te maken die niet alleen structureel nuttig zouden zijn; ze zouden ook functioneel nuttig zijn.

"Wat als we ze zo kunnen ontwerpen dat ze functionaliteit hebben, zoals energieopslag?" zei Liu, tevens lid van het Macromolecules Innovation Institute. "Als je wilt dat ze energie opslaan, je moet sites hebben om ionen in te brengen."

Liu zei dat de koolstofvezels idealiter zo zouden kunnen worden ontworpen dat ze overal gelijkmatig verspreide microgaatjes hebben, vergelijkbaar met een spons, die ionen van energie zou opslaan.

Na het aanpassen van een oude conventionele methode voor het chemisch produceren van koolstofvezels, Liu heeft nu een proces ontwikkeld om voor het eerst poreuze koolstofvezels te synthetiseren met uniforme grootte en tussenruimte. Hij beschrijft dit werk in een recent gepubliceerd artikel in het high impact journal wetenschappelijke vooruitgang .

"Het maken van poreuze koolstofvezels is niet eenvoudig, " zei Liu. "Mensen hebben dit al tientallen jaren geprobeerd. Maar de kwaliteit en de uniformiteit van de poriën in de koolstofvezels waren niet bevredigend.

"Wij ontwierpen, gesynthetiseerd, en verwerkte deze polymeren vervolgens in het laboratorium, en toen maakten we ze tot poreuze koolstofvezels."

Blokcopolymeren gebruiken om poreuze koolstofvezels te maken

Liu gebruikte een meerstaps chemisch proces met twee polymeren:lange, herhalende ketens van moleculen, genaamd polyacrylonitril (PAN) en poly(acrylonitril-blok-methylmethacrylaat) (PMMA).

PAN is op het gebied van polymeerchemie bekend als een voorloper van koolstofvezels, en PMMA fungeert als een plaatshoudend materiaal dat later wordt verwijderd om de poriën te creëren.

Maar in het verleden, andere chemici hadden typisch PAN en PMMA afzonderlijk in een oplossing gemengd. Hierdoor ontstonden poreuze koolstofvezels, maar met poriën van verschillende grootte en op afstand van elkaar. Energieopslag kan worden gemaximaliseerd met een groter oppervlak, die optreedt bij kleinere, uniforme poriën.

Liu kwam met het nieuwe idee om PAN en PMMA te verbinden, het creëren van wat bekend staat als een blokcopolymeer. De ene helft van het samengestelde polymeer is PAN, en de andere helft is PMMA, en ze zijn covalent gebonden in het midden.

"Dit is de eerste keer dat we blokcopolymeren gebruiken om koolstofvezels te maken en de eerste keer dat we poreuze koolstofvezels op basis van blokcopolymeer gebruiken voor energieopslag. " zei Liu. "Vaak, we denken alleen vanuit het oogpunt van het proces, maar hier denken we vanuit het oogpunt van materiaalontwerp."

Na het synthetiseren van het blokcopolymeer in het laboratorium, de viskeuze oplossing onderging vervolgens drie chemische processen om poreuze koolstofvezels te verkrijgen.

De eerste stap is elektrospinnen, een methode die elektrische kracht gebruikt om vezelachtige strengen te creëren en de oplossing uit te harden tot een papierachtig materiaal. Volgende, Liu liet het polymeer door een oxidatieproces verhitten. In deze stap, de PAN en PMMA zijn van nature gescheiden en zelf-geassembleerd in de strengen van PAN en uniform verspreide domeinen van PMMA.

In de laatste stap, bekend als pyrolyse, Liu verwarmde het polymeer tot een nog hogere temperatuur. Dit proces stolde PAN tot koolstof en verwijderde PMMA, waardoor onderling verbonden mesoporiën en microporiën in de vezel achterblijven.

Nieuwe mogelijkheden in energieopslag

Hoewel deze doorbraak een reeds goed presterend technisch materiaal verbetert, misschien is de grotere doorbraak het vermogen om blokcopolymeren te gebruiken om uniforme poreuze structuren te creëren voor mogelijkheden voor energieopslag.

"Het opent de manier waarop we denken over het ontwerpen van materialen voor energieopslag, " zei Liu. "Nu kunnen we ook gaan nadenken over functionaliteit. We gebruiken (koolstofvezels) niet alleen als constructief materiaal, maar ook als functioneel materiaal."

Liu speelde met dit idee sinds hij in 2014 bij Virginia Tech kwam, maar hij begon formeel onderzoek naar dit idee na het indienen van een winnend voorstel via het Air Force Young Investigator Program (YIP) in 2016.