Teer, het alledaagse materiaal dat de naden in onze daken en opritten afdicht, heeft een onverwachte en niet gewaardeerde complexiteit, volgens een MIT-onderzoeksteam:het kan ooit nuttig zijn als grondstof voor een verscheidenheid aan hightech-apparaten, waaronder energieopslagsystemen, thermisch actieve coatings, en elektronische sensoren.

En het is niet alleen teer. Professor Jeffrey Grossman heeft ook een heel andere kijk op andere fossiele brandstoffen. In plaats van deze materialen te gebruiken als goedkope handelswaar om te verbranden, dicht scheuren af ​​met, of weggooien, hij ziet potentieel voor een breed scala aan toepassingen die profiteren van de zeer complexe chemie die is ingebed in deze oude mengsels van van biomassa afgeleide koolstofverbindingen.

Een belangrijk voordeel van dergelijke toepassingen is dat ze een manier bieden om materialen opnieuw te gebruiken die anders zouden worden verbrand, bijdragen aan de uitstoot van broeikasgassen, of op stortplaatsen worden gestort. Deze toepassingen kunnen leiden tot een "vergroening" van anderszins klimaatschadelijke steenkool en andere op koolstof gebaseerde materialen, zegt Grossman.

In zijn laatste onderzoek Vieze man, samen met postdoc Xining Zang, onderzoekswetenschapper Nicola Ferralis, en vijf anderen, manieren gevonden om steenkool te gebruiken, teer, en pek om dunne coatings te produceren met een zeer controleerbare en reproduceerbare elektrische geleidbaarheid, porositeit, en andere eigenschappen. Met behulp van een laser, ze waren in staat om prototype-apparaten te maken van de goedkope, alomtegenwoordige materialen, inclusief een supercondensator om elektriciteit op te slaan, een flexibele spanningsmeter, en een transparante verwarming.

Het werk, beschreven in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekt alternatieve manieren om koolstofhoudende zware koolwaterstoffen te gebruiken, die gedurende miljoenen jaren van geologische verwerking van rottend plantaardig materiaal door hitte en druk hebben gevormd. Deze materialen, Grossman zegt, bieden een rijke verscheidenheid aan atomaire configuraties met verschillende chemische en structurele eigenschappen, ongeëvenaard door synthetische, verwerkte op koolstof gebaseerde nanomaterialen.

Om gebruik te maken van deze materiaaleigenschappen, het team gebruikte een proces genaamd lasergloeien om ultradunne lagen koolstofhoudende materialen te creëren, afgezet op een substraat. Ze produceerden specifieke functionele apparaten door patronen af ​​te zetten en te etsen in lagen gemaakt van verschillende op koolstof gebaseerde materialen.

In zekere zin, wat het team deed is het omgekeerde van de traditionele verwerking van fossiele brandstoffen, waarin de complexe mix van koolwaterstoffen stap voor stap chemische bindingen afbreekt en verschillende verbindingen afscheidt. In dit werk, de verschillende soorten zware koolwaterstofcomplexen werden gewoon gebruikt zoals ze zijn, gebruikmakend van de grote verscheidenheid aan eigenschappen die in de verschillende materialen te vinden zijn:soorten steenkool, aardoliestoom gebarsten teer, en mesofase toonhoogte, waarvan de meeste ofwel bijproducten zijn die doorgaans moeten worden verwijderd, ofwel brandstoffen die snel worden uitgefaseerd.

Door een combinatie van het selecteren van precies het juiste grondstofmateriaal en het variëren van de timing en sterkte van laserpulsen die worden gebruikt om het materiaal te gloeien, het team was in staat om een ​​scala aan fysieke, optisch, elektrisch, magnetisch, en andere eigenschappen. Door verschillende materialen te combineren, ze zeggen, een hele reeks apparaten zou in één keer op één substraat kunnen worden geproduceerd.

"We kunnen dan alles creëren, van grafeen tot een soort aromatisch rijke polymeren, " zegt Ferralis, "en met eigenschappen die sterk kunnen veranderen, van thermische en elektrische isolatoren, tot thermische en elektrische geleiders. We kunnen de porositeit veranderen, zodat we niet alleen solide films kunnen maken, maar ook om materialen te maken die zeer poreus zijn, dus we kunnen echt membranen maken."

Dit assortiment van materiaaleigenschappen kan worden gemengd en aangepast, misschien in staat stellen, bijvoorbeeld, de creatie van een verscheidenheid aan koolstofhoudende "inkten" voor 3D-printen, hij zegt.

"Maar in plaats van de kleuren te veranderen, "Feralis zegt, "je verandert eigenlijk het type voorloper dat je maakt. Je voegt een beetje meer teer toe, iets minder toonhoogte, of een beetje meer van een van de andere dingen die we in de krant hebben benadrukt. Dat zou kunnen geven, bijvoorbeeld, het vermogen om te maken, binnen dezelfde film, een membraan, een elektrisch apparaat, en een energieopslagsysteem, enzovoort, op aanvraag."

De materialen kunnen vrijwel elke soort zware koolwaterstof zijn, waarvan er vele in grote hoeveelheden voorkomen als afvalproducten van de aardolieproductie of chemische verwerking. "In wezen zoeken we naar elk materiaal dat veel aromaten bevat, wat betekent zware koolwaterstoffen waarvan mensen niet weten wat ze ermee moeten doen, "zegt Zang. "Dus we zijn vrij agnostisch over wat we kunnen gebruiken."

Door nauwkeurig getimede en afgestemde pulsen van een kooldioxidelaser te gebruiken, het team was in staat om de eigenschappen van het gecoate materiaal te controleren, het opblazen met pulsen die zeer lokale temperaturen tot wel 2 kunnen genereren, 000 graden Celsius, terwijl de omliggende gebieden zo onaangetast blijven dat het proces zelfs op zachte ondergronden zoals kunststoffen kan worden uitgevoerd, ze zeggen.

"We hebben deze zeer heterogene, rommelige grondstof, " zegt Grossman, "maar het is zo goedkoop en rijk aan nuttige chemie." Het idee is om het goed genoeg te begrijpen om "eenvoudige, schaalbare productietools, zodat we van dit begrip kunnen profiteren om het iets anders voor ons te laten doen." hij zegt, "we vinden dit materiaal waarvan eerder werd gedacht dat het beperkt in gebruik was (als slechts een brandstof om te verbranden, bijvoorbeeld), en door zijn atomaire structuur te begrijpen, we zijn in staat om principes van materiaalontwerp en engineering toe te passen om het op bredere manieren bruikbaar te maken."

Hoewel dit aanvankelijke werk gericht was op dunne films, de grondstoffen zijn zo goedkoop dat dergelijke materialen uiteindelijk ook voor bulktoepassingen kunnen worden gebruikt, zegt Ferralis. "Als we dit proces kunnen opschalen naar bulksystemen, dit kan worden gebruikt in structurele materialen, bijvoorbeeld, of isolatie voor woningen. Dingen die eigenlijk veel van het materiaal vereisen." Het zou zelfs een economische impuls kunnen geven aan steenkoolproducerende regio's die nu lijden onder de ineenstorting van de kolengestookte elektriciteitscentraleindustrie om producenten te worden van een hele nieuwe familie van hoogwaardigere producten , hij stelt voor.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.