Ingenieurs van de Universiteit van Cincinnati maken gebruik van een samenwerking met Wright-Patterson Air Force Base om kleding te maken die je mobiele telefoon kan opladen.

Beweeg over, Ijzeren man.

Wat dit mogelijk maakt, zijn de unieke eigenschappen van koolstofnanobuisjes:een groot oppervlak dat sterk is, geleidend en hittebestendig.

UC's College of Engineering and Applied Science heeft een vijfjarige overeenkomst met het Air Force Research Laboratory om onderzoek te doen dat militaire technologische toepassingen kan verbeteren.

UC-professor Vesselin Shanov leidt samen met onderzoekspartner en UC-professor Mark Schulz UC's Nanoworld Laboratories. Samen, ze benutten hun expertise op het gebied van elektrische, chemische en mechanische engineering om 'slimme' materialen te maken die elektronica kunnen aandrijven.

"De grote uitdaging is om deze prachtige eigenschappen te vertalen om te profiteren van hun kracht, geleidbaarheid en hittebestendigheid, ' zei Shanov.

Schulz zei dat de productie aan de vooravond staat van een koolstofrenaissance. Koolstofnanobuisjes zullen koperdraad in auto's en vliegtuigen vervangen om het gewicht te verminderen en de brandstofefficiëntie te verbeteren. Koolstof zal ons water filteren en ons meer vertellen over ons leven en ons lichaam door middel van nieuwe biometrische sensoren.

Koolstof vervangt polyester en andere synthetische vezels. En aangezien koolstofnanobuizen de zwartste objecten op aarde zijn, het absorberen van 99,9 procent van al het zichtbare licht, je zou kunnen zeggen dat carbon het nieuwe zwart is.

"Vroeger, metalen domineerde productiegoederen, " zei Schulz. "Maar ik denk dat koolstof in veel toepassingen metalen gaat vervangen.

"Er komt een nieuw koolstoftijdperk - een koolstofrevolutie, ' zei Schulz.

UC's Nanoworld Lab leidt het collectieve werk van 30 afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten.

Een van hen, UC-onderzoeksmedewerker Sathya Narayan Kanakaraj, co-auteur van een onderzoek naar manieren om de treksterkte van drooggesponnen koolstofnanobuisjes te verbeteren. Zijn resultaten werden in juni gepubliceerd in het tijdschrift Succesvol materiaalonderzoek .

Afstudeerder Mark Haase, bracht het afgelopen jaar door met het verkennen van toepassingen voor koolstofnanobuisjes in het Air Force Research Lab van Wright-Patterson. Door het partnerschap, UC-studenten gebruiken de geavanceerde apparatuur van het Air Force Lab, waaronder röntgencomputertomografie, monsters te analyseren. Haase heeft de uitrusting van de luchtmacht gebruikt om zijn klasgenoten ook te helpen met hun projecten.

"Dit dwingt ons om in groepen te werken en ons te specialiseren. Dit is dezelfde dynamiek die we zien in bedrijfsonderzoek en de industrie, Haase zei. "Techniek is tegenwoordig een groepsactiviteit, dus daar kunnen we van profiteren."

UC-onderzoekers "kweken" nanobuisjes op kwart-sized siliciumwafels onder warmte in een vacuümkamer via een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd.

"Elk deeltje heeft een nucleatiepunt. In de volksmond, we kunnen het een zaad noemen, ' zei Haas.

"Ons koolstofhoudende gas wordt in de reactor gebracht. Wanneer het koolstofgas in wisselwerking staat met ons 'zaad, ' het breekt af en vormt zich opnieuw op het oppervlak. We laten het groeien tot het de gewenste grootte heeft, " hij zei.

Onderzoekers kunnen bijna elke koolstof gebruiken, van alcohol tot methaan.

"Ik herinner me dat een groep opschepte door Girl Scout-koekjes te gebruiken. Als het koolstof bevat, je kunt er een nanobuisje van maken, ' zei Haas.

UC's Nanoworld Lab vestigde een wereldrecord in 2007 door een nanobuis te laten groeien die bijna 2 centimeter lang was, de langste koolstofnanobuis-array die destijds in een laboratorium werd geproduceerd. De laboratoria van vandaag kunnen nanobuisjes maken die vele malen langer zijn.

UC-onderzoekers spannen het kleine vezelige vierkant over een industriële spoel in het laboratorium. Plotseling, dit kleine vel koolstof wordt een gesponnen draad die lijkt op spinnenzijde die in textiel kan worden geweven.

"Het is precies zoals een textiel, " Shanov zei. "We kunnen ze als een machinedraad in elkaar zetten en ze gebruiken in toepassingen variërend van sensoren tot het volgen van zware metalen in water- of energieopslagapparaten, inclusief supercondensatoren en batterijen."

Voor het leger, dit kan betekenen dat je zware batterijen moet vervangen die het groeiende aantal elektronica opladen waaruit de uitrusting van een soldaat bestaat:lichten, nachtzicht- en communicatieapparatuur.

"Maar liefst een derde van het gewicht dat ze dragen, bestaat uit batterijen om al hun apparatuur van stroom te voorzien. "Zei Haase. "Dus zelfs als we daar een beetje vanaf kunnen scheren, het is een groot voordeel voor hen in het veld."

Medische onderzoekers onderzoeken hoe koolstofnanobuisjes kunnen helpen bij het toedienen van gerichte doses medicijnen.

"Aan de buitenkant, je kunt een eiwitmolecuul toevoegen. Cellen zullen dat lezen en zeggen:'Dat wil ik eten.' Zodat we medicijnen kunnen leveren om gezonde cellen te ondersteunen, om zieke cellen te herstellen of zelfs om kankercellen te doden, ' zei Haas.

Maar eerst willen onderzoekers ervoor zorgen dat koolstofnanobuisjes niet-toxisch zijn.

"Daarom gaan ze langzaam, Haase zei. "Onderzoek heeft uitgewezen dat bij hoge of acute blootstelling, koolstofnanobuisjes kunnen longschade veroorzaken die vergelijkbaar is met asbest. Het laatste wat we willen is de ene kanker genezen om te ontdekken dat je er een andere van krijgt."

De voorlopige resultaten zijn veelbelovend.

Zoek niet snel naar de mode van koolstofnanobuisjes op de Parijse catwalks. De kosten zijn te hoog.

"We werken met klanten die meer geven om prestaties dan om kosten. Maar zodra we de synthese hebben geperfectioneerd, schaal gaat aanzienlijk omhoog en de kosten zouden dienovereenkomstig moeten dalen, " zei Haase. "Dan zullen we koolstofnanobuisjes naar velen zien verspreiden, veel meer toepassingen."

Voor nu, Het laboratorium van UC kan voor zijn onderzoek ongeveer 50 meter koolstof nanobuisdraad per keer produceren.

"De meeste grootschalige textielmachines hebben kilometers draad nodig, ' zei Haase. 'We komen er wel.'

Tot dan, massaproductie blijft een van de grotere onopgeloste problemen voor koolstofnanobuistechnologie, zei Benji Maruyama, die leiding geeft aan het Directoraat Materialen en Productie van het Air Force Research Laboratory. "Er moet nog veel werk worden verzet om het proces op te schalen. Een koolstofnanobuisvezel van een siliciumschijf trekken is goed voor onderzoek op laboratoriumschaal, maar niet voor het maken van een vliegtuigvleugel of vliegpak, ' zei Maruyama.

"Het enige dat ons tegenhoudt, is het kraken van de code om koolstofnanobuisjes op grote schaal te maken. " hij zei.

Maruyama probeert dat probleem op te lossen met een reeks experimenten die hij uitvoert met een autonome onderzoeksrobot genaamd ARES. De robot ontwerpt en voert experimenten uit met koolstofnanobuisjes, analyseert de resultaten en gebruikt vervolgens die gegevens en kunstmatige intelligentie om parameters voor het volgende experiment opnieuw te definiëren. Op deze manier, het kan 100 keer zoveel experimenten uitvoeren in dezelfde tijd als menselijke onderzoekers, hij zei.

"Het grote voordeel van koolstofnanobuisjes is dat er geen tekort aan materialen is. Het vereist alleen een metaalkatalysator - we gebruiken ijzer en nikkel - en koolstof. Het is niet schaars, "Zei Maruyama. "Dus als we het hebben over het maken van miljoenen tonnen per jaar koolstofnanobuisjes, we maken geen miljoenen tonnen van iets zeldzaams."

Het uiteindelijke doel is om UC's academisch onderzoek om te zetten in oplossingen voor echte problemen, zei Shanov.

"We hebben de luxe in de academische wereld om verschillende toepassingen te verkennen, "Zei Shanov. "Ze zien misschien niet allemaal de markt. Maar zelfs als 10 procent raakt, het zou een groot succes worden."