In de zoektocht naar efficiëntere voertuigen, ingenieurs gebruiken hardere koolstofmaterialen met een lagere dichtheid, zoals koolstofvezels, die duurzaam kan worden vervaardigd door natuurlijk voorkomende zachte koolwaterstoffen te "bakken" in afwezigheid van zuurstof. Echter, de optimale "baktemperatuur" voor deze geharde, houtskoolachtige koolstofmaterialen bleven een mysterie sinds de jaren vijftig, toen de Britse wetenschapper Rosalind Franklin, die misschien beter bekend staat om het leveren van kritisch bewijs van de dubbele helixstructuur van DNA, ontdekte hoe de koolstofatomen in suiker, steenkool, en soortgelijke koolwaterstoffen, reageren op temperaturen die 3 naderen, 000 graden Celsius (5, 432 graden Fahrenheit) in zuurstofvrije verwerking. Verwarring over de vraag of wanorde deze grafietachtige materialen sterker maakt, of zwakker, meer dan 40 jaar verhinderd om de ideale "baktemperatuur" te identificeren.

minder, meer chaotisch gerangschikte koolstofatomen produceren materialen met een hogere sterkte, MIT-onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Koolstof . Ze vinden een tastbaar verband tussen de willekeurige volgorde van koolstofatomen in een fenol-formaldehydehars, die werd "gebakken" bij hoge temperaturen, en de sterkte en dichtheid van het resulterende grafietachtige koolstofmateriaal. Fenol-formaldehydehars is een koolwaterstof die in de elektronica-industrie algemeen bekend staat als "SU-8". Aanvullend, door de prestaties van het "gebakken" koolstofmateriaal te vergelijken, de MIT-onderzoekers identificeerden een "sweet spot" productietemperatuur:1, 000 C (1, 832 F).

"Deze materialen waarmee we werken, die vaak worden aangetroffen in SU-8 en andere koolwaterstoffen die kunnen worden uitgehard met ultraviolet [UV] licht, zijn echt veelbelovend voor het maken van sterke en lichte roosters van balken en stijlen op nanoschaal, die pas onlangs mogelijk werd dankzij de vooruitgang in 3D-printen, ", zegt MIT-postdoc Itai Stein SM '13, PhD '16. "Maar tot nu toe niemand wist echt wat er gebeurt als je de productietemperatuur verandert, dat is, hoe de structuur de eigenschappen beïnvloedt. Er was veel werk aan de structuur en veel werk aan eigenschappen, maar er was geen verband tussen de twee. ... We hopen dat onze studie zal helpen om enig licht te werpen op de overheersende fysieke mechanismen die een rol spelen."

Steen, wie is de hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in? Koolstof , leidde een team onder professor luchtvaart en ruimtevaart Brian L. Wardle, bestaande uit MIT junior Chlöe V. Sackier, alumni Mackenzie E. Devoe '15 en Hanna M. Vincent '14, en niet-gegradueerde zomerwetenschappers Alexander J. Constable en Naomi Morales-Medina.

"Ons onderzoek naar dit koolstofmateriaal als matrix voor nanocomposieten leidde steeds tot meer vragen, waardoor dit onderwerp op zichzelf steeds interessanter werd. Door een reeks bijdragen, met name van MIT-undergraduate-onderzoekers en Summer Scholars, een langdurig onderzoek van meerdere jaren resulteerde, waardoor enkele paradoxale resultaten in de bestaande literatuur kunnen worden opgelost, ' zegt Ward.

Door de hars op hoge temperatuur te "bakken" in inert gas, een proces dat algemeen bekend staat als pyrolyse, de onderzoekers vormden een soort ongeordend grafietachtig koolstofmateriaal dat vaak glasachtige koolstof wordt genoemd. Stein en Wardle toonden aan dat wanneer het wordt verwerkt bij temperaturen hoger dan 1, 000 C, het materiaal wordt meer geordend maar zwakker. Ze schatten de sterkte van hun glasachtige koolstof door een lokale kracht uit te oefenen en het vermogen van hun materiaal om vervorming te weerstaan ​​te meten. Dit soort metingen, die bij ingenieurs bekend staat als de Vickers-hardheidstest, is een zeer veelzijdige techniek die kan worden gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan materialen te bestuderen, zoals metalen, bril, en kunststoffen, en stelden de onderzoekers in staat om hun bevindingen te vergelijken met veel bekende technische materialen, waaronder diamant, koolstofvezelcomposieten, en metaalcarbiden.

De koolstofatomen in het materiaal van de MIT-onderzoekers waren chaotischer georganiseerd dan typisch is voor grafiet, en dit was omdat fenol-formaldehyde waarmee ze begonnen een gecompliceerde mix van koolstofrijke verbindingen is. "Omdat de koolwaterstof in het begin ongeordend was, veel van de wanorde blijft in je kristallieten, tenminste bij deze temperatuur "Stein legt uit. In feite, de aanwezigheid van complexere koolstofverbindingen in het materiaal versterkt het door te leiden tot driedimensionale verbindingen die moeilijk te verbreken zijn. "In principe zit je vast aan de kristallietinterface, en dat leidt tot betere prestaties, " hij zegt.

Deze op hoge temperatuur gebakken materialen hebben slechts één koolstofatoom in hun structuur voor elke drie in een diamantstructuur. "Als je deze materialen gebruikt om nanoroosters te maken, je kunt het algehele rooster nog minder dicht maken. Toekomstige studies moeten uitwijzen hoe lichtere en goedkopere materialen gemaakt kunnen worden, " suggereert Stein. Koolwaterstoffen vergelijkbaar met het hier bestudeerde fenol-formaldehyde kunnen ook op een milieuvriendelijke manier worden gewonnen, hij zegt.

"Tot nu toe was er niet echt consensus over of het hebben van een lage dichtheid goed of slecht was, en we laten in dit werk zien, dat een lage dichtheid eigenlijk goed is, " zegt Stein. Dat komt omdat een lage dichtheid in deze kristallieten meer moleculaire verbindingen in drie dimensies betekent, waardoor het materiaal bestand is tegen afschuiving, of uit elkaar schuiven. Door de lage dichtheid, dit materiaal steekt gunstig af bij diamant- en boornitrides voor gebruik in de ruimtevaart. "Eigenlijk, je kunt veel meer van dit materiaal gebruiken en toch uiteindelijk gewicht besparen, ' zegt Steen.

"Deze studie vertegenwoordigt een degelijke materiaalwetenschap - die alle drie facetten van synthese verbindt, structuur, en eigendom - op weg naar het ophelderen van slecht begrepen schaalwetten voor mechanische prestaties van pyrolytische koolstof, " zegt Eric Meshot, een stafwetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Het is opmerkelijk dat door het gebruik van routinematig beschikbare karakteriseringstools, de onderzoekers hebben zowel de structurele afbeeldingen op moleculaire als op nanoschaal samengevoegd en dit contra-intuïtieve resultaat ontcijferd dat meer grafitisering niet noodzakelijkerwijs gelijk staat aan een harder materiaal. Het is een intrigerend concept op zich dat een kleine structurele wanorde de hardheid kan vergroten."

"Hun structurele karakterisering bewijst hoe en waarom ze een hoge hardheid bereiken bij relatief lage synthesetemperaturen, " Meshot voegt toe. "Dit kan een impact hebben voor industrieën die de productie van dit soort materialen willen opschalen, aangezien verwarming een zeer kostbare stap is." De studie wijst ook op nieuwe richtingen voor het maken van composietstructuren met een lage dichtheid met echt transformerende eigenschappen, hij stelt voor. "Bijvoorbeeld, door de start SU-8 hars op te nemen in, Aan, of rond andere structuren (zoals nanobuisjes zoals de auteurs suggereren), kunnen we materialen synthetiseren die nog harder of beter bestand zijn tegen sheer? Of composieten die mogelijk extra functionaliteit insluiten, zoals sensing?" Vraagt ​​Meshot.

Het nieuwe onderzoek is nu bijzonder relevant omdat een groep Duitse onderzoekers vorig jaar in een Nature Materials-paper liet zien hoe deze materialen zeer gestructureerde nanoroosters kunnen vormen die sterk, lichtgewicht, en worden alleen overtroffen door diamant. Die onderzoekers verwerkten hun materiaal bij 900 C, Stein merkt op. "Je kunt veel meer optimaliseren, weten wat de schaal is van de mechanische eigenschappen met de structuur, dan kun je doorgaan en de structuur dienovereenkomstig afstemmen, en dat is waar we geloven dat er een brede implicatie is voor ons werk in deze studie, " hij zegt.

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.