Om continu te maken, sterke en geleidende koolstof nanobuis vezels, het is het beste om te beginnen met lange nanobuisjes, volgens wetenschappers van Rice University.

Het Rice-lab van scheikundige en chemisch ingenieur Matteo Pasquali, die in 2013 zijn baanbrekende methode demonstreerde om koolstofnanobuisjes tot vezels te spinnen heeft de kunst van het maken van op nanobuisjes gebaseerde materialen verbeterd met twee nieuwe artikelen in de American Chemical Society's ACS toegepaste materialen en interfaces .

Het eerste artikel karakteriseerde 19 batches nanobuisjes geproduceerd door evenveel fabrikanten om te bepalen welke nanobuiskenmerken de meest geleidende en sterkste vezels opleveren voor gebruik in grootschalige ruimtevaart, consumentenelektronica en textieltoepassingen.

De onderzoekers hebben vastgesteld dat de aspectverhouding van de nanobuisjes - lengte versus breedte - een kritische factor is, evenals de algehele zuiverheid van de partij. Ze vonden de diameters van de buizen, aantal wanden en kristalkwaliteit zijn niet zo belangrijk voor de producteigenschappen.

Pasquali zei dat hoewel bekend was dat de aspectverhouding van nanobuisjes invloed heeft op de vezeleigenschappen, dit is het eerste systematische werk om de relatie tussen een breed scala aan nanobuismonsters vast te stellen. Onderzoekers ontdekten dat zowel langere nanobuisjes als kortere kunnen worden verwerkt, en dat mechanische sterkte en elektrische geleidbaarheid in lockstep toenamen.

De beste vezels hadden een gemiddelde treksterkte van 2,4 gigapascal (GPa) en een elektrische geleidbaarheid van 8,5 megasiemens per meter, ongeveer 15 procent van de geleidbaarheid van koper. Het vergroten van de lengte van nanobuisjes tijdens de synthese zal een pad bieden naar verdere verbetering van de eigenschappen, zei Pasquali.

Het tweede artikel was gericht op het zuiveren van vezels geproduceerd door de drijvende katalysatormethode voor gebruik in films en aerogels. Dit proces is snel, efficiënt en kosteneffectief op middelgrote schaal en kan het direct spinnen van hoogwaardige nanobuisvezels opleveren; echter, het laat onzuiverheden achter, inclusief metalen katalysatordeeltjes en stukjes overgebleven koolstof, geeft minder controle over de vezelstructuur en beperkt de mogelijkheden om op te schalen, zei Pasquali.

"Dat is waar deze twee kranten samenkomen, " zei hij. "Er zijn in principe twee manieren om nanobuisvezels te maken. In een, je maakt de nanobuisjes en spint ze tot vezels, dat is wat we bij Rice hebben ontwikkeld. In de andere, ontwikkeld aan de Universiteit van Cambridge, je maakt nanobuisjes in een reactor en stemt de reactor zo af dat, aan het einde, je kunt de nanobuisjes er direct als vezels uittrekken.

"Het is duidelijk dat die direct gesponnen vezels langere nanobuisjes bevatten, dus er is interesse om de buizen in die vezels te krijgen als een bron van materiaal voor onze spinmethode, "Zei Pasquali. "Dit werk is een eerste stap in de richting van dat doel."

Het reactorproces dat tien jaar geleden is ontwikkeld door materiaalwetenschapper Alan Windle van de Universiteit van Cambridge, produceert de vereiste lange nanobuisjes en vezels in één stap, maar de vezels moeten worden gezuiverd, zei Pasquali. Onderzoekers van Rice en de National University of Singapore (NUS) hebben een eenvoudige oxidatieve methode ontwikkeld om de vezels te reinigen en bruikbaar te maken voor een breder scala aan toepassingen.

De laboratoria zuiverden vezelmonsters in een oven, eerst brandende koolstofonzuiverheden in lucht bij 500 graden Celsius (932 graden Fahrenheit) en ze vervolgens onder te dompelen in zoutzuur om de onzuiverheden van de ijzerkatalysator op te lossen.

Onzuiverheden in de resulterende vezels werden teruggebracht tot 5 procent van het materiaal, waardoor ze oplosbaar waren in zuren. De onderzoekers gebruikten vervolgens de nanobuis-oplossing om geleidende, transparante dunne films.

"Er is een groot potentieel om deze ongelijksoortige technieken te combineren om superieure vezels te produceren en de technologie op te schalen voor industrieel gebruik, " zei co-auteur Hai Minh Duong, een NUS-assistent-professor werktuigbouwkunde. "De drijvende katalysatormethode kan vrij snel verschillende soorten nanobuisjes produceren met een goede morfologiecontrole. De nanobuisfilamenten kunnen direct worden verzameld uit hun aerogel die in de reactor is gevormd. Deze nanobuisfilamenten kunnen vervolgens worden gezuiverd en tot vezels worden gedraaid met behulp van de bevochtigingstechniek die is ontwikkeld door de Pasquali-groep."

Pasquali merkte op dat de samenwerking tussen Rice en Singapore een ander soort convergentie betekent. "Dit is misschien wel de eerste keer dat iemand van de Cambridge-vezelspinlijn (Duong was een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Windle) en de Rice-vezelspinlijn samenkomen, " zei hij. "We werken samen om materialen uit het Cambridge-proces uit te proberen en aan te passen aan het Rice-proces."