Superman kan een brok steenkool uitknijpen en er een sprankelende diamant van maken - in stripboeken, hoe dan ook. Deze fictieve prestatie heeft enige wetenschappelijke geldigheid. Steenkool en diamanten zijn beide samengesteld uit koolstof. De twee materialen verschillen in hun microscopische rangschikking van atomen, en dat leidt tot nogal een verschil in uiterlijk, geleidbaarheid, hardheid en andere eigenschappen.

Zoals dit laat zien, de microstructuur van op koolstof gebaseerde materialen is belangrijk. Het optimaliseren van de koolstofmicrostructuur kan voordelen opleveren voor toepassingen in energieopslag, sensoren en nucleaire materiaalsystemen van de volgende generatie.

Nu heeft een groep onderzoekers van het Idaho National Laboratory (INL) een onderzoek uitgevoerd dat zou kunnen leiden tot verbeterde methoden om de koolstofmicrostructuur te verfijnen. De wetenschappers rapporteerden over hun werk in juni 2020 Materialen Vandaag Chemie papier.

Kristallijne structuur creëren

Kunal Mondal, een INL materiaalwetenschappelijk onderzoeker, voerde de experimenten van de groep uit, waarbij kleine koolstoffilms en vezels werden blootgesteld aan temperaturen tot 3000 ° C (5400 ° F). Die hitte zorgde ervoor dat de microstructuur in de films en vezels minder ongeordend (of amorf) en meer diamantachtig (of kristallijn) werd.

"Als de koolstofstructuur meer kristallijn wordt, het maakt veel mogelijk. Eerst, geleidbaarheid van de koolstof neemt toe. Dat betekent dat je er veel goede toepassingen uit kunt halen, " zei Mondal, hoofdauteur van de krant. Sommige van deze toepassingen omvatten batterijen en sensoren, hij voegde toe.

Een doel van het onderzoek was om te zien hoe de uiteindelijke microstructuur varieerde afhankelijk van de temperatuur en het uitgangsmateriaal.

Voor het oorspronkelijke materiaal de onderzoekers spinden miniatuurkoolstofvezels en bedekten substraten met dunne koolstoffilms. Ze hebben deze polymeerprecursoren met hitte behandeld bij temperaturen van 1000 tot 3000 ° C. Vervolgens onderzochten ze de resultaten met transmissie-elektronenmicroscopen en andere instrumenten, het bepalen van de mate van conversie van een losjes georganiseerd polymeer naar een meer gestructureerd, kristallijne opstelling.

Snelkoppelingen in de microstructuur-roadmap

Warmtebehandelingen worden wereldwijd gebruikt om koolstofcomposietmaterialen te maken met de gewenste microstructuur, die per toepassing verschilt. Ook de voorlopers die onderzoekers selecteerden, worden veel gebruikt. Commerciële productie met deze voorlopers en productiemethoden kan echter een ingewikkeld proces zijn dat een reeks nauwkeurige warmtebehandelingen en andere acties vereist.

Het uiteindelijke recept voor een product kan met vallen en opstaan ​​worden bereikt, die soms uitgebreid kan zijn. Het INL-onderzoek heeft tot doel, onder andere, om een ​​wegenkaart met snelkoppelingen te bieden om deze zoektocht te versnellen.

Dus, naast experimenteel werk, de INL-groep deed ook simulaties die modelleerden hoe de vezels en films zouden evolueren tijdens warmtebehandeling. Gorak Pawar, een andere co-auteur van het artikel en een INL-stafwetenschapper bij de afdeling Material Science and Engineering, deze simulaties behandeld. De computermodellen voorspelden uitkomsten die vergelijkbaar waren met de experimentele resultaten. Het werk werd gefinancierd door INL's Laboratory Directed Research and Development-programma.

De INL-studie biedt aanwijzingen die kunnen worden gebruikt om voorlopers en processen te helpen ontwerpen die de voorkeur geven aan nanostructuren, zei Pawar. Bijvoorbeeld, beginnen met een film resulteerde in een hogere elektronenmobiliteit dan wat resulteerde bij het starten van vezels, wat een gevolg zou kunnen zijn van de vele grenzen in een vezel en hun invloed op het vrije verkeer van elektronen. Dus, voor een sensor of een andere toepassing waar geleidbaarheid belangrijk is, beginnen met een film kan leiden tot een apparaat dat gevoeliger is, is sneller of verbruikt minder stroom.

Bij het onderzoeken van alle mogelijke combinaties van verwerkingsstappen, onderzoekers van nationale laboratoria, in de industrie en elders moeten kosteneffectief zijn in hun onderzoeken en resultaten. Simulaties zoals die van de INL-groep kunnen helpen om de tijd, inspanning en kosten om in te zoomen op het juiste proces en uitgangsmateriaal.

"Je kunt een experiment niet voor altijd uitvoeren. Je hebt wat begeleiding nodig om je experimentele protocol te optimaliseren, ' zei Pawar.

Batterijen sneller opladen

Wat betreft mogelijke toepassingen van het onderzoek van de groep, hij merkte op dat het van cruciaal belang is om de microstructuur goed te krijgen, bijvoorbeeld, een lithium-ionbatterij.

Deze batterijen hebben een elektrode gemaakt van grafiet, een vorm van koolstof. Bij het gebruik van de batterij, de lithiumionen worden tussen lagen in het grafiet opgeslagen, wat betekent dat de hoeveelheid leegte en defecten in het materiaal belangrijk is. Met grafiet van de juiste structuur, dat de beweging van ionen snel kan zijn, een vereiste voor extreem snel opladen. Toch kunnen de grafietmaterialen niet zo poreus zijn dat ze de elektrode onbruikbaar maken.

Door een dergelijk opladen kunnen elektrische voertuigen het equivalent van een volle tank benzine binnen enkele minuten in plaats van uren krijgen. Dat vermogen zou het besturen van deze emissievrije auto's en vrachtwagens vergelijkbaar maken met wat mensen gewend zijn met de huidige voertuigen op gas. Dit betekent dat het INL-onderzoeksproject nuttig kan zijn bij het uitzoeken hoe dat soort prestaties te bereiken, een vermogen dat consumenten zoeken.

"Dat is ons toekomstige doel in energieopslag:hoe we deze grafietstructuur kunnen optimaliseren, ' zei Pawar.

Om dat te helpen realiseren, de onderzoekers blijven hun begrip van koolstofmicrostructuren uitbreiden en hoe ze kunnen worden geproduceerd. Uiteindelijk, dit werk kan helpen bij het creëren van een batterij voor elektrische voertuigen die snel volledig kan worden opgeladen - of, om het in superheldentermen te zeggen, sneller dan een snel rijdende kogel.