Zie het als koken met koolstofspaghetti:een onderzoeker van de Kansas State University ontwikkelt nieuwe manieren om koolstofnanobuisjes te maken en ermee te werken - ultrakleine buisjes die eruitzien als stukjes spaghetti of touw.

Deze koolstof nanobuisjes -- gemaakt van grafeen, een atoomdikke laag koolstof -- hebben de perfecte ingrediënten voor het verbeteren van laserdetectoren en oplaadbare batterijen, volgens onderzoek van Gurpreet Singh, assistent-professor mechanische en nucleaire techniek. Singh werkt aan verschillende projecten met koolstofnanobuisjes en van polymeer afgeleid keramisch materiaal.

Eén project omvat nieuwe manieren om te koken of een keramisch koolstofnanobuismateriaal te maken. De conventionele manier om dit soort materiaal te maken, is door een vloeibaar polymeer te nemen, giet het in een vorm en verwarm het in een oven totdat het polymeer een keramiek vormt.

Singh's team probeerde een nieuwe aanpak. Ze zijn een van de eersten die hun eigen gemodificeerde vloeibare polymeer maken met vier ingrediënten:silicium, boor, koolstof en stikstof. Maar in plaats van dit vloeibare polymeer in een oven te verwarmen, ze verwarmden het in een conventionele magnetron - het soort dat in keukens wordt gebruikt. Ze ontdekten dat de magnetron de nanobuisjes net zo goed verwarmt als een oven.

"Wat we hebben gedaan, is de tijd om keramiek te construeren verkorten, "Zei Singh. "Als je een oven of verwarming gebruikt, je moet het even opwarmen. Met de magnetron, het is binnen een paar minuten snel aan het opwarmen."

Hun werk -- co-auteur met hun universitaire collega William Kuhn, hoogleraar elektrische en computertechniek -- onlangs verschenen in het tijdschrift Toegepaste materialen en interfaces , gepubliceerd door de American Chemical Society. Een andere publicatie met conventionele verwerking zal verschijnen in de Tijdschrift van de American Ceramic Society .

Zodra dit keramische koolstofnanobuismateriaal is gemaakt, het heeft meerdere toepassingen. Singh's team is betrokken bij een project met het Laser Radiometry Team van het National Institute of Standards and Technology, of NIST, in Boulder, kleur, die werkt aan de ontwikkeling van meetmethoden voor industriële lasers met hoog vermogen voor productie.

Singh's team helpt het instituut bij het verbeteren van de manier waarop laservermogen wordt gemeten. Momenteel, lasermetingen omvatten een kegelvormige koperdetector bedekt met koolstofverf. De laser schijnt door de kegel, wordt geabsorbeerd door de zwarte verf, verwarmt de koperen kegel en verwarmt vervolgens een waterval aan de achterkant van de detector. Door de stijgende temperatuur van het water te meten, wetenschappers kunnen de energie van de laser bepalen.

Het Singh-team heeft dit proces verbeterd door de kegelvormige detector te maken van het composietmateriaal van keramische koolstof nanobuisjes. Omdat keramiek bestand is tegen hoge temperaturen, het beschermt de nanobuisjes, die het laserlicht absorberen om de kegel te verwarmen.

"We controleren de stabiliteit van het materiaal, "Zei Singh. "We karakteriseren het en sturen de monsters vervolgens naar het NIST om te testen."

Een ander project voor Singh's team gebruikt het keramische koolstofnanobuismateriaal om de prestaties van oplaadbare batterijen te verbeteren. Het materiaal behandelt vier manieren waarop oplaadbare batterijen kunnen worden verbeterd:een grotere opslagcapaciteit, een langere batterijduur hebben, laadt snel op en levert in korte tijd veel stroom.

Deze keramische materialen kunnen lithium omkeerbaar opslaan, wat betekent dat lithium erin kan gaan en eruit kan komen. Huidige oplaadbare batterijen gebruiken grafiet om lithium op te slaan. Maar als het grafiet slijt, een batterij wordt minder efficiënt en blijft minder lang opgeladen.

Vooral voor elektrische auto's is het vermogen om snel op te laden en in korte tijd veel vermogen te leveren van cruciaal belang. Veel huidige ontwerpen van elektrische auto's hebben enkele uren nodig om op te laden en veel tijd om te accelereren. Wetenschappers die een batterij willen maken die in een paar minuten kan worden opgeladen en snel van stroom kan worden voorzien, hebben nu misschien een oplossing.

Singh's team heeft al vroeg succes geboekt met hun werk:voorlopig onderzoek toont aan dat wanneer het keramische materiaal wordt gebruikt in batterijen, het verdubbelt of verdrievoudigt de capaciteit van de batterij voor hoge stroomsterkte. Het materiaal is ook thermodynamisch stabiel, zodat het langere cycli kan overleven.

"Het zou heel leuk zijn om één materiaal te hebben met een hoge capaciteit, kan snel worden opgeladen en is ook stabiel, " zei Singh. "Met dit keramisch materiaal, het moet sterk genoeg zijn zodat het na verloop van tijd niet verslechtert. Dat is het uiteindelijke doel."

Hun batterijwerk verschijnt later dit jaar in het tijdschrift Nanomaterialen en energie , gepubliceerd door het Instituut voor Civiele Ingenieurs. De onderzoekers laden en herladen de batterijen momenteel gedurende meerdere cycli om te begrijpen hoe lang de batterijen die van de materialen zijn gemaakt, meegaan.

Een laatste project van Singh's team omvat het gebruik van "nano-vingers, " Dit zijn scherpe wolfraamnaalden die koolstofnanobuizen kunnen sonderen en oppikken. De onderzoekers gebruiken deze nanovingers onder een elektronenmicroscoop om studies uit te voeren met individuele koolstofnanobuizen en keramische nanodraden.

Singh's onderzoek is ondersteund met $ 57, 000 van het EPSCoR-programma met de National Science Foundation. Zijn onderzoeksteam bestaat uit twee afgestudeerde studenten - Romil Bhandavat en Lamuel David, beide doctoraatsstudenten werktuigbouwkunde, Indië, -- en een student, Uriël Barrera, tweedejaars werktuigbouwkunde, Olathe.