Wat verbindt legendarisch scherpe Damasceense zwaarden uit het verleden met flexibele elektronica en hoogwaardige elektrische bedrading van de toekomst? Ze danken allemaal hun opmerkelijke eigenschappen aan verschillende structurele vormen van koolstof.

De dodelijkste zwaarden uit de geschiedenis - de 'Damascene'-sabels die in het Midden-Oosten werden gesmeed van de 13e tot de 18e eeuw - waren zo scherp dat ze door vallende zijde konden snijden, zo heeft de legende het. Aangenomen wordt dat hun verbazingwekkende eigenschappen afkomstig zijn van een combinatie van specifieke onzuiverheden in het ijzererts en hoe heet en hoe lang ze werden afgevuurd - een proces dat volgens sommige wetenschappers onbewust koolstofnanobuisjes (CNT's) in hen heeft gecreëerd.

Deze dunne, holle buizen zijn slechts een enkel koolstofatoom dik. Net als hun koolstof neef, grafeen – waarin de atomen plat liggen, in een tweedimensionaal blad - ze behoren tot de sterkste, meest lichtgewicht en flexibele materialen die bekend zijn.

"Fast-forward eeuwen, " zei Dr Stephan Hofmann van de afdeling Engineering, "en we realiseren ons nu dat er een hele familie van deze buitengewone origami-vormen van koolstof is ... en hoe ze te maken." In feite, de universiteit heeft meer dan 25 jaar geavanceerde ervaring in koolstofnanotechnologie, van diamant tot nanobuisjes, en van geleidende polymeren tot diamantachtige koolstof en grafeen.

Wat koolstofnanovormen zoals grafeen en CNT's zo opwindend maakt, zijn hun elektrische en thermische eigenschappen. Hun potentieel gebruik in toepassingen zoals lichtere elektrische bedrading, dunnere batterijen, sterkere bouwmaterialen en flexibele apparaten kunnen een transformerende impact hebben op de energie, transport- en zorgsector. Als resultaat, investeringen van in totaal miljoenen ponden ondersteunen nu onderzoek en ontwikkeling in op koolstof gebaseerd onderzoek over de hele universiteit.

"Maar alle superlatieven die aan de materialen worden toegeschreven, verwijzen naar een persoon, atomair perfect, nanobuis of grafeenvlok, " voegde Hofmann toe. "De vaak afgebeelde olifant ondersteund door een grafeenvel belichaamt de vaak niet-realistische verwachtingen. De uitdaging blijft om op grote schaal en tegen lage kosten hoge kwaliteit te realiseren, en om de materialen in apparaten te koppelen en te integreren."

Dit zijn het soort uitdagingen waar onderzoekers van de departementen Engineering, Materiaalkunde en metallurgie, Natuurkunde en scheikunde, en het Cambridge Graphene Centre hebben gewerkt aan het overwinnen ervan.

Professor Alan Windle van de afdeling Materiaalkunde en Metallurgie, bijvoorbeeld, heeft een chemisch dampafzettingsproces gebruikt om zeer sterke en taaie vezels volledig van CNT's te 'spinnen'. De nanobuisjes vormen rook in de reactor, maar omdat ze verstrikt en elastisch zijn, vezels kunnen continu uit de reactor worden gewikkeld, zoals nanosuikerspin. De garenachtige textuur van de vezels geeft ze buitengewone taaiheid en weerstand tegen snijden, waardoor ze veelbelovende alternatieven zijn voor koolstofvezels of hoogwaardige polymeervezels zoals Kevlar, evenals voor het bouwen van op maat gemaakte vezelversterkte polymeren die worden gebruikt in ruimtevaart- en sporttoepassingen.

Het is op het elektrische front dat ze hun grootste uitdaging aangaan, zoals Windle uitlegde:"Het fabricageproces wordt opgeschaald door een spin-out van Cambridge, Q-Flo; echter, elektrische geleidbaarheid is de volgende grote uitdaging voor CNT-vezels in het laboratorium. Het begrijpen en ontwikkelen van de vezel als vervanging voor koperen geleiders zal wereldveranderend zijn, met enorme voordelen."

In 2013, Windle's collega Dr. Krzysztof Koziol slaagde erin om elektrische bedrading volledig van CNT-vezels te maken en een legering te ontwikkelen die koolstofdraden aan metaal kan solderen. waardoor het mogelijk is om CNT-draden in conventionele circuits op te nemen. Het team maakt nu draden met een diameter van enkele micrometers tot enkele millimeters met een snelheid tot 20 meter per minuut - geen geringe prestatie als je bedenkt dat elke CNT tienduizend keer smaller is dan een mensenhaar.

Met financiering van de Royal Society en de European Research Council (ERC), het onderzoek is gericht op het gebruik van CNT's om koper en aluminium in huishoudelijke elektrische bedrading te vervangen, bovengrondse hoogspanningslijnen en vliegtuigen. CNT's voeren meer stroom, verliezen minder energie aan warmte en vereisen geen winning van mineralen uit de aarde.

Bovendien, ze kunnen worden gemaakt van broeikasgassen; Het team van Koziol werkt samen met spin-outbedrijf FGV Cambridge Nanosystems om 's werelds eerste bedrijf te worden dat hoogwaardige CNT's en grafeen rechtstreeks uit aardgas of verontreinigd biogas produceert. Het bedrijf opereert al op industriële schaal, waarbij zeer zuiver grafeen wordt geproduceerd met 1 kg per uur. "Het doel is om hoogwaardige materialen te produceren die direct kunnen worden geïmplementeerd in nieuwe apparaten, of gebruikt om andere materialen te verbeteren, zoals glas, metaal of polymeren, "
zei Koziol.

Rechtstreeks samenwerken met de industrie is essentieel om de overgang van laboratorium naar fabriek voor nieuwe materialen te versnellen. Hofmann leidt een grote inspanning om de productie en geïntegreerde verwerkingstechnologie voor CNT's te ontwikkelen, grafeen en verwante nanomaterialen, met financiering van de ERC en Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), en in samenwerking met een netwerk van industriële partners.

"Het veld bevindt zich in een zeer opwindende fase, " hij zei, "nu, we kunnen niet alleen hun ingewikkelde structuren 'zien' en oplossen, maar nieuwe karakteriseringstechnieken stellen ons in staat om realtime video's te maken van hoe ze assembleren, atoom voor atoom. We beginnen te begrijpen wat hun groei bepaalt en hoe ze zich gedragen in industrieel relevante omgevingen. Hierdoor kunnen we hun eigendommen beter controleren, uitlijning, locatie en interfaces met andere materialen, dat is de sleutel tot het ontsluiten van hun commerciële potentieel."

Voor high-end toepassingen in de elektronica- en fotonica-industrie, het bereiken van dit niveau van controle is niet alleen wenselijk, maar ook noodzakelijk. Het vermogen om koolstof controleerbaar te produceren in zijn vele structurele vormen verbreedt de 'materialenportfolio' die een moderne ingenieur tot zijn beschikking heeft. Met koolstoffilms of structuren die al te vinden zijn in producten zoals harde schijven, scheermesjes en lithium-ionbatterijen, het industriële gebruik van CNT's wordt steeds wijder, gedreven, bijvoorbeeld, door de vraag naar nieuwe technologieën zoals flexibele apparaten en onze behoefte om te oogsten, energie efficiënter omzetten en opslaan.

Professor Andrea Ferrari, Directeur van het Cambridge Graphene Centre en doctoraatsopleiding, die is gefinancierd door middel van een subsidie ​​van £ 17 miljoen van de EPSRC, legt uit:"Mensen kunnen grafeen nu per ton maken - het is geen probleem. De uitdaging is om de eigenschappen van het grafeen dat je produceert te matchen met de uiteindelijke toepassing. Onze faciliteiten en apparatuur zijn geselecteerd om afstemming met de industrie te bevorderen; we hebben samenwerkingsverbanden met meer dan 20 bedrijven die onze agenda delen voor het bevorderen van real-life toepassingen, en nog veel meer praten over hun betrokkenheid bij onze activiteiten."

Cambridge heeft vanaf het begin pionierswerk verricht op het gebied van grafeentechnologie en met meerdere spin-offs, is een hub geworden voor de productie en innovatie van grafeen. Het Cambridge Graphene Centre heeft tot doel de productietechnieken voor grafeen en aanverwante materialen te verbeteren, evenals toepassingen verkennen op het gebied van energieopslag- en oogstapparatuur, hoogfrequente elektronica, fotonica, flexibele en draagbare elektronica, en composieten. Grafeen is ook de focus van grootschalige Europese financiering – het Graphene Flagship, een pan-Europese 10-jarige, Het wetenschaps- en technologieprogramma van € 1 miljard werd gelanceerd in 2013. Ferrari was een van de belangrijkste onderzoekers die het voorstel voorbereidde, heeft geleid tot de ontwikkeling van de wetenschappelijke en technologische roadmap voor het project, en is nu voorzitter van de Raad van Bestuur van het Flagship.

Nutsvoorzieningen, de bouw is begonnen aan een op maat gemaakte faciliteit van £ 12,9 miljoen die het Cambridge Graphene Centre zal huisvesten, met extra ruimte voor grote elektronica. In het najaar van 2015 gaat de vestiging open.

"We erkennen dat er nog veel moet gebeuren voordat de vroege belofte werkelijkheid wordt, maar er zijn nu grote kansen, "zei Ferrari. "We staan ​​aan het begin van een reis. We kennen de uiteindelijke uitkomst niet, maar het potentieel van grafeen en verwante materialen is zodanig dat het volkomen logisch is om hier al vroeg veel moeite voor te doen."