Koolstof nanobuisvezels gemaakt aan de Rice University zijn nu sterker dan Kevlar en verbeteren de geleidbaarheid van koper.

Het Rice-lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Matteo Pasquali rapporteerde in: Koolstof het heeft zijn sterkste en meest geleidende vezels tot nu toe ontwikkeld, gemaakt van lange koolstof nanobuisjes door middel van een nat spinproces.

In de nieuwe studie onder leiding van Rice afgestudeerde studenten Lauren Taylor en Oliver Dewey, merkten de onderzoekers op dat natgesponnen koolstof nanobuisvezels, die zouden kunnen leiden tot doorbraken in tal van medische en materiaaltoepassingen, om de drie jaar in sterkte en geleidbaarheid zijn verdubbeld, een trend die bijna twee decennia omspant.

Hoewel dat misschien nooit de wet van Moore nabootst, die decennialang een maatstaf zijn geweest voor de vooruitgang van computerchips, Pasquali en zijn team dragen hun steentje bij om de methode te bevorderen die ze hebben ontwikkeld om koolstofnanobuisjes te maken.

De draadachtige vezels van het lab, met tientallen miljoenen nanobuisjes in doorsnede, worden bestudeerd voor gebruik als bruggen om beschadigde harten te herstellen, als elektrische interfaces met de hersenen, voor gebruik in cochleaire implantaten, als flexibele antennes en voor auto- en ruimtevaarttoepassingen.

Ze maken ook deel uit van de Carbon Hub, een multi-universitair onderzoeksinitiatief gelanceerd in 2019 door Rice met steun van Shell, Prysmian en Mitsubishi om een ​​toekomst zonder uitstoot te creëren.

"Koolstof nanobuisvezels worden al lang aangeprezen vanwege hun potentiële superieure eigenschappen, " Zei Pasquali. "Twee decennia van onderzoek bij Rice en elders hebben dit potentieel werkelijkheid gemaakt. Nu hebben we een wereldwijde inspanning nodig om de productie-efficiëntie te verhogen, zodat deze materialen kunnen worden gemaakt zonder CO2-uitstoot en mogelijk met gelijktijdige productie van schone waterstof."

"Het doel van dit artikel is om de recordeigenschappen naar voren te brengen van de vezels die in ons laboratorium worden geproduceerd, Taylor zei. "Deze verbeteringen betekenen dat we Kevlar nu overtreffen in termen van kracht, wat voor ons een hele prestatie is. Met nog een verdubbeling, we zouden de sterkste vezels op de markt overtreffen."

De flexibele rijstvezels hebben een treksterkte van 4,2 gigapascal (GPa), vergeleken met 3,6 GPa voor Kevlar-vezels. De vezels vereisen lange nanobuisjes met een hoge kristalliniteit; dat is, regelmatige reeksen van koolstofatoomringen met weinig defecten. De zure oplossing die in het rijstproces wordt gebruikt, helpt ook onzuiverheden te verminderen die de vezelsterkte kunnen verstoren en verbetert de metallische eigenschappen van de nanobuisjes door resterende doping, zei Dewey.

"De lengte, of beeldverhouding, van de nanobuisjes is het bepalende kenmerk dat de eigenschappen in onze vezels aanstuurt, " hij zei, het opmerken van het oppervlak van de 12-micrometer nanobuisjes die in rijstvezel worden gebruikt, maakt betere Van der Waals-bindingen mogelijk. "Het helpt ook dat de medewerkers die onze nanobuisjes kweken, optimaliseren voor oplossingsverwerking door het aantal metallische onzuiverheden van de katalysator en wat we amorfe koolstofonzuiverheden noemen te beheersen."

De onderzoekers zeiden dat de geleidbaarheid van de vezels is verbeterd tot 10,9 megasiemens (miljoen siemens) per meter. "Dit is de eerste keer dat een koolstofnanobuisvezel de drempel van 10 megasiemens heeft overschreden, dus we hebben een nieuwe orde van grootte bereikt voor nanobuisvezels, " zei Dewey. Genormaliseerd voor gewicht, hij zei dat de rijstvezels ongeveer 80% van de geleidbaarheid van koper bereiken.

"Maar we overtreffen platinadraad, wat voor ons een grote prestatie is, "Taylor zei, "en de thermische geleidbaarheid van de vezels is beter dan alle metalen en synthetische vezels, behalve voor pekgrafietvezels."

Het doel van het lab is om de productie van superieure vezels efficiënt en goedkoop genoeg te maken om op grote schaal door de industrie te worden verwerkt, zei Dewey. Oplossingsverwerking is gebruikelijk bij de productie van andere soorten vezels, inclusief Kevlar, zodat fabrieken vertrouwde processen konden gebruiken zonder ingrijpende aanpassingen.

"Het voordeel van onze methode is dat het in wezen plug-and-play is, " zei hij. "Het is inherent schaalbaar en past in de manier waarop synthetische vezels al worden gemaakt."

"Er is een idee dat koolstofnanobuisjes nooit alle eigenschappen zullen krijgen die mensen nu al tientallen jaren hypen, " zei Taylor. "Maar we boeken jaar na jaar goede winsten. Het is niet makkelijk, maar we geloven nog steeds dat deze technologie de wereld gaat veranderen."

Co-auteurs van het artikel zijn Rice alumnus Robert Headrick; afgestudeerde studenten Natsumi Komatsu en Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, een assistent-professor werktuigbouwkunde; en Junichiro Kono, de Karl F. Hasselmann Professor in Engineering en een professor in elektrische en computer engineering, van natuurkunde en sterrenkunde, en van materiaalkunde en nano-engineering. Pasquali is de A.J. Hartsook hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, van scheikunde en van materiaalkunde en nano-engineering.