Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Beihang University in China en de University of Texas in Dallas heeft krachtige, supersterke koolstofplaten die goedkoop kunnen worden vervaardigd bij lage temperaturen.

Het team maakte de platen door bloedplaatjes van grafietkool chemisch aan elkaar te naaien. wat vergelijkbaar is met het grafiet in de zachte stift van een gewoon potlood. Het fabricageproces resulteerde in een materiaal waarvan de mechanische eigenschappen die van koolstofvezelcomposieten overtreffen die momenteel in diverse commerciële producten worden gebruikt.

"Deze platen kunnen uiteindelijk de dure koolstofvezelcomposieten vervangen die voor alles worden gebruikt, van vliegtuig- en autocarrosserieën tot windmolenbladen en sportuitrusting, " zei dr. Ray Baughman, de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry aan de UT Dallas en directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Baughman is een corresponderende auteur van een artikel waarin het materiaal wordt beschreven dat deze week online is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De huidige koolstofvezelcomposieten zijn duur, deels omdat de koolstofvezels bij extreem hoge temperaturen worden geproduceerd. die 2 kan overschrijden, 500 graden Celsius (ongeveer 4, 500 graden Fahrenheit).

"In tegenstelling tot, ons proces kan grafiet gebruiken dat goedkoop uit de grond wordt gegraven en verwerkt bij temperaturen onder de 45 graden Celsius (113 graden Fahrenheit), " zei Dr. Qunfeng Cheng, hoogleraar scheikunde aan de Beihang University en een corresponderende auteur. "De sterke punten van deze platen in alle richtingen in het vlak komen overeen met die van gelaagde koolstofvezelcomposieten, en ze kunnen veel hogere mechanische energie absorberen voordat ze falen dan koolstofvezelcomposieten."

Grafiet bestaat uit bloedplaatjes die zijn opgebouwd uit op elkaar gestapelde lagen grafeen. Grafeen is gewoon een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in een patroon dat lijkt op een hek van kippengaas, waarbij elke zeshoek in het gaas wordt gevormd door zes koolstofatomen.

"Terwijl wetenschappers continu grote vellen grafeen kunnen maken door verwerking op hoge temperatuur, en hebben aangetoond dat deze bladen een opmerkelijke sterkte hebben, het is onpraktisch om dikke platen van grafiet te maken door grafeenplaten met een groot oppervlak te stapelen, " zei Cheng. "Je zou ongeveer 150 moeten stapelen, 000 grafeenvellen om een ​​grafietvel te maken met de dikte van een mensenhaar."

De onderzoekers vonden inspiratie in natuurlijk parelmoer, ook wel parelmoer genoemd, wat sommige schelpen hun kracht en taaiheid geeft. Parelmoer bestaat uit evenwijdige bloedplaatjes die aan elkaar zijn gebonden door dunne lagen organisch materiaal, vergelijkbaar met de manier waarop bakstenen in een muur bij elkaar worden gehouden door mortel.

"In plaats van het mechanisch stapelen van grafeenplaten met een groot oppervlak, we oxideren grafietplaatjes ter grootte van een micrometer zodat ze in water kunnen worden gedispergeerd, en vervolgens deze dispersie filteren om goedkoop vellen georiënteerd grafeenoxide te maken, " zei Baughman. "Dit proces is vergelijkbaar met het met de hand maken van vellen papier door een slurry van vezels te filteren.

"In dit stadium de platen zijn niet sterk of taai, wat betekent dat ze niet veel energie kunnen absorberen voordat ze scheuren, " zei hij. "De truc die we gebruiken is om de bloedplaatjes in deze platen aan elkaar te hechten met behulp van sequentieel geïnfiltreerde overbruggingsmiddelen die overlappende naburige bloedplaatjes met elkaar verbinden, en zet het geoxideerde grafeenoxide om in grafeen. De sleutel tot deze vooruitgang is dat onze overbruggingsmiddelen afzonderlijk werken via de vorming van covalente chemische bindingen en van der Waals-bindingen."

Vellen waarin de overbruggingsmiddelen waren verwerkt, waren 4,5 keer sterker en 7,9 keer taaier dan agentvrije platen, zei Beihang University promovendus Sijie Wan, wie is de hoofdauteur van het tijdschriftartikel. "In tegenstelling tot koolstofvezelcomposieten, geen polymeermatrix nodig, " hij zei.

"Terwijl platen van dure koolstofvezelcomposieten een vergelijkbare sterkte kunnen bieden in alle richtingen van het plaatvlak, de energie die ze kunnen absorberen voordat ze breken, is ongeveer een derde van die van onze sequentieel overbrugde grafeenplaten, " zei Wan. "Omdat onze platen bij lage temperaturen worden vervaardigd, ze zijn goedkoop. Naast het vertonen van een hoge plaatsterkte, taaiheid en vermoeiingsweerstand, ze hebben een hoge elektrische geleidbaarheid en zijn in staat om af te schermen tegen elektromagnetische straling. Deze eigenschappen maken deze sequentieel overbrugde grafeenplaten behoorlijk aantrekkelijk voor mogelijke toekomstige toepassingen."