(Phys.org) —Onderzoekers van Purdue University ontwikkelen een methode om een ​​nieuw type nanomateriaal in massa te produceren voor geavanceerde sensoren en batterijen, met het oog op productie in het Midwesten.

Onderzoeksresultaten geven aan dat het materiaal veelbelovend is als sensor voor het detecteren van glucose in het speeksel of tranen en voor "supercondensatoren" die snel opladen mogelijk zouden kunnen maken, krachtige batterijen.

Echter, om het materiaal op de markt te brengen, moeten onderzoekers een manier vinden om het tegen lage kosten in massa te produceren.

"Het is één ding om te zeggen dat je een nieuw wondermateriaal hebt, maar kunt u bewijzen dat het op commerciële schaal kan worden gemaakt?" zei Arvind Raman, Robert V. Adams Hoogleraar Werktuigbouwkunde. "In veel gevallen vinden we dat er fundamenteel onderzoek gedaan moet worden voor opschaling. Je wilt grote hoeveelheden van het materiaal kunnen produceren tegen 50 cent per vierkante meter."

Nutsvoorzieningen, een team van Purdue-onderzoekers zal ernaar streven om precies dat te doen. Het project, gefinancierd met een subsidie ​​van $ 1,5 miljoen van de National Science Foundation, richt zich op het creëren van een nanoproductiemethode die "schaalbaar, " of in staat tot massaproductie tegen lage kosten.

De onderliggende technologie is ontwikkeld door een onderzoeksgroep onder leiding van Timothy Fisher, de James G. Dwyer hoogleraar werktuigbouwkunde. Het bestaat uit verticale nanostructuren die lijken op kleine rozenblaadjes, gemaakt van een materiaal dat grafeen wordt genoemd, dat is een enkele atoom dikke film van koolstof.

"Met behulp van deze grafeen-nanoblaadjes hebben we uitzonderlijke prestaties gerealiseerd in een breed scala aan apparaten op laboratoriumschaal, ' zei Visser.

De onderzoekers hopen de productiesnelheid van met nanopetal gecoate oppervlakken op te voeren tot 10 vierkante meter per uur, wat een dramatische stijging betekent ten opzichte van de productiesnelheid op laboratoriumschaal.

Raman heeft expertise in roll-to-roll productie, een steunpilaar van vele industriële activiteiten, waaronder de productie van papier en plaatwerk. Hij modelleert de mechanica van het proces van het maken van flexibele materialen in platen met hoge snelheid en onder spanning.

"Een belangrijke factor zullen industriepartners zijn, " zei hij. "Er zijn veel industrieën die roll-to-roll-operaties hebben. Dus focussen op roll-to-roll als platform voor de productie van nanomaterialen is zeer strategisch voor het Midwesten."

Hij heeft ook expertise in precisiemetingen met behulp van een atoomkrachtmicroscoop.

"Je moet het materiaal kunnen meten tijdens de productie, en dit is een uitdaging vanwege de nanometerschaal van de bloembladen, " hij zei.

De grafeen-nanoblaadjes zijn ook veelbelovend gebleken als een "thermisch interface" -materiaal om te voorkomen dat computerchips oververhit raken.

"Er ontstaan ​​een hele reeks nieuwe apparaat- en materiaalconcepten op basis van grafeen-nanoblaadjes in toepassingen die zo divers zijn als koolstofvezelcomposieten en nieuwe thermische interfacematerialen, " zei Raman. "De commerciële belangstelling voor dit recente koolstofnanomateriaal is extreem hoog. "

Andere belangrijke onderzoekers in het project zijn Alina Alexeenko, een universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart; Alexander Wei, een professor in de afdeling Chemie; Ernesto E. Marinero, een professor in de ingenieurspraktijk in de scholen voor Chemical Engineering en Materials Engineering; en Euiwon Bae, een onderzoekshoogleraar werktuigbouwkunde.

De nanopetals worden in een vacuüm gecreëerd door een doek van koolstofvezel bloot te stellen aan hoogenergetisch plasma dat waterstofionen en andere ingrediënten bevat. een proces dat bekend staat als plasmaversterkte chemische dampafzetting. Alexeenko zal het werk leiden om de plasmareactor te modelleren en de omstandigheden te optimaliseren voor een snelle en milieuvriendelijke omzetting van grondstoffen, zoals methaan en waterstof, in koolstofnanoblaadjes.

Wei zal bloemblaadjes functionaliseren met metalen nanodeeltjes en enzymen die glucose of andere doelwitmoleculen herkennen voor biosensing. Marinero zal zich richten op de betrouwbaarheid van apparaten gemaakt met behulp van het nanomateriaal, en Bae zal werken om de juiste bloembladgrootte te garanderen door patronen van lichtverstrooiing vanaf het oppervlak van het materiaal te analyseren.

Het meeste onderzoek zal plaatsvinden in het Birck Nanotechnology Centre in Purdue's Discovery Park.

"Opschaling van productie is een belangrijke uitdaging voor nanotechnologie, " zei Ali Shakouri, de Mary Jo en Robert L. Kirk directeur van het Birck Nanotechnology Center en een professor in elektrische en computertechniek. "Dit NSF-project maakt deel uit van een breder nanofabricage-initiatief in het Birck Nanotechnology Center, waar we ons richten op de roll-to-roll-productie van slimme dunne films voor toepassingen in de apotheek en voedselverpakkingen."

Wei zei, "Het project vertegenwoordigt de voorhoede van een veel grotere beweging bij Purdue om kernonderzoeksexpertise op het gebied van wetenschap en techniek samen te brengen op een manier die afgestudeerde studenten kansen biedt om de uitdagingen van het omzetten van opwindende onderzoeksontdekkingen in producten die kunnen worden gecommercialiseerd te overwinnen."

Technologieën die in het project zijn ontwikkeld, kunnen worden gecommercialiseerd door samenwerking met een lokaal startend bedrijf, Folium Nanotechnologies LLC, mede opgericht door Fisher en Marinero, evenals Roche Diagnostics en het Battery Innovation Center. Het centrum werd dit jaar gelanceerd om gebruik te maken van Indiana's activa in de publieke en private sector op het gebied van geavanceerde batterijtechnologieën om onderzoek en ontwikkeling te vergemakkelijken, rapid prototyping en contract manufacturing voor de industrie, academische en militaire klanten.

"Er zal een regionale workshopreeks over roll-to-roll nanofabricage worden georganiseerd om als katalysator voor innovatie in het Midwesten te dienen door geïnteresseerde kleine, middelgrote en grote ondernemingen samen met fabrikanten van originele apparatuur en universitaire onderzoekers, ' zei Raman.

De nieuwe technologie zou van bijzonder belang kunnen zijn voor batterijfabrikanten in Indiana.

De onderzoekers zullen ook geavanceerde simulatietools beschikbaar stellen voor op vacuüm gebaseerde roll-to-roll-processen. De tools zullen beschikbaar zijn voor bedrijven via de cyberinfrastructuur van de productie-HUB en nanoHUB, een interactieve website die wetenschappelijke simulaties ter beschikking stelt, seminaries, interactieve cursussen en andere gespecialiseerde nanotechnologie-gerelateerde materialen.

"We zullen het Amerikaanse personeelsbestand opleiden via een innovatieve online klas over nanofabricage aangeboden als onderdeel van het nanoHUB U-initiatief, ' zei Raman.

Het onderzoek heeft potentieel voor een brede impact.

"Veel resultaten van dit onderzoek zijn niet alleen van toepassing op grafeen nanopetal-technologie, maar veeleer op een grote verscheidenheid aan nanomaterialen die zijn vervaardigd in lagedruk- en omgevingsrol-naar-rol nanofabricageprocessen, " hij zei.