Spiderman heeft het door.

Het is dan ook geen toeval dat wanneer Sheng Shen over zijn werk met polymeer nanovezels praat, hij het vergelijkt met een spin die zijn web spint.

"Net zoals een spin zijde synthetiseert uit eiwitpolymeer om een ​​vezel te vormen met een sterkte vergelijkbaar met staal met hoge treksterkte, polymeren kunnen worden gesponnen en getrokken om zeer sterke materialen te vormen met een uitzonderlijk hoge thermische geleidbaarheid, " zei Sheen, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University.

Shen en zijn team hebben een polymeer nanovezel ontwikkeld die sterk, lichtgewicht, thermisch geleidend, elektrisch isolerend, en bio-compatibel. Ze bereikten dit alles in een enkele polymeervezelstreng van minder dan 100 nanometer.

Volgens Shen, de potentiële impact van deze ontwikkeling is enorm. De kenmerken van zijn polymeer nanovezel geven het toepassing in ruimtevaart- en automobielsystemen, civiele techniek en bouwtechniek, medische apparatuur, en robotica.

In hun eenvoudigste vorm, polymeren zijn veel identieke moleculen die steeds opnieuw aan elkaar zijn verbonden. De moleculen kunnen worden samengevoegd in "eenvoudige" ketens of meer gecompliceerde structuren. Hoe dan ook, het resulterende polymeer heeft dezelfde kenmerken als de moleculen die zijn gebruikt om het te maken. Dit betekent dat een polymeer plakkerig kan zijn, stevig, buigzaam, of een aantal andere fysieke kenmerken in zijn moleculen.

traditioneel, zei Shen, polymeren zijn "het algemene materiaalplatform (gebruikt) om multifunctionele materialen te ontwikkelen, "inclusief kunststoffen, nylonkousen, en rubbers. Polymeren zijn gemakkelijk te verwerken tegen relatief lage prijzen, maar hebben hun nadelen.

Prototypische bulkpolymeren zijn vaak amorf, wat betekent dat hun molecuulketens willekeurig zijn opgerold en een gedefinieerde vorm en vorm missen. Dit gebrek aan definitie kan leiden tot verminderde kracht, verminderde thermische geleidbaarheid, en verhoogde defecten zoals holtes en verstrengeling van moleculen.

De uitdaging was om een ​​polymeer te ontwikkelen dat zowel ultrasterk als thermisch geleidend is.

voor Shen, de plaats om dit te doen was op nanoniveau. Op dit niveau - een miljardste van een meter - kan Shen individuele moleculen zo manipuleren dat ze samenkomen op precies de manier waarop hij wil dat ze samenkomen.

"Op nanoschaal de polymeerketens worden sterk georiënteerd en defecten die een lagere sterkte en thermische geleidbaarheid kunnen elimineren, ' zei Sheen.

De resulterende polymeer nanovezel heeft een Young's Modulus (de maat voor de stijfheid van een vast materiaal) en een sterkte die volgens Shen 300 keer groter is dan die van bulkpolymeren.

Wat betreft thermische geleidbaarheid, Shen meldt dat zijn polymeer nanovezel een geleidbaarheid van 100 W/mK meet. Gemiddeld, de geleidbaarheid van staal is 54 W/mK en die van ijzer is 73 W/mK.

"Deze nanovezels bieden een goedkope manier om een ​​zeer effectieve warmteafvoer in elektronische systemen te bereiken, "zei Shen. "Ze kunnen ook biocompatibele warmteverspreiders zijn om de patiëntenzorg te verbeteren."

Daten, Shen en zijn team hebben enkele nanovezels getest. Op basis van de resultaten van die tests, ze hebben hun aandacht gericht op het creëren van een innovatieve productiebenadering die de massaproductie van de polymeer-nanovezels mogelijk maakt.

Shen is ervan overtuigd dat hij en zijn team een ​​product hebben uitgevonden dat vroeger vroeger dan later een praktische en grootschalige impact zal hebben.

"We geloven echt dat dit een baanbrekende technologie is door polymeren te transformeren van zachte en thermisch isolerende materialen naar ultrasterk en thermisch geleidend materiaal. ' zei Sheen.

doctoraat kandidaat Ramesh Shrestha en Maarten de Boer, hoogleraar werktuigbouwkunde, een belangrijke bijdrage geleverd aan dit onderzoek. Bevindingen werden gepubliceerd in Natuurcommunicatie .