Vlammen met hoge temperaturen worden gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan materialen te maken, maar als je eenmaal een brand hebt aangestoken, kan het moeilijk zijn om te controleren hoe de vlam interageert met het materiaal dat je probeert te verwerken. Onderzoekers hebben nu een techniek ontwikkeld die gebruik maakt van een molecuuldunne beschermlaag om te controleren hoe de hitte van de vlam inwerkt op het materiaal. Hierdoor wordt het vuur getemd en kunnen gebruikers de eigenschappen van het verwerkte materiaal nauwkeurig afstemmen.

"Vuur is een waardevol technisch hulpmiddel; een hoogoven is tenslotte slechts een intens vuur", zegt Martin Thuo, corresponderend auteur van een artikel over het werk en hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de North Carolina State University. "Als je eenmaal een brand hebt aangestoken, heb je echter vaak weinig controle over hoe deze zich gedraagt."

"Onze techniek, die we inverse thermische degradatie (ITD) noemen, maakt gebruik van een dunne film op nanoschaal over een gericht materiaal. De dunne film verandert als reactie op de hitte van het vuur en regelt de hoeveelheid zuurstof die toegang kan krijgen tot het materiaal. betekent dat we de snelheid waarmee het materiaal opwarmt kunnen controleren, wat op zijn beurt de chemische reacties beïnvloedt die in het materiaal plaatsvinden. Kortom, we kunnen nauwkeurig afstemmen hoe en waar het vuur het materiaal verandert."

Zo werkt ITD. Je begint met je doelmateriaal, zoals een cellulosevezel. Die vezel wordt vervolgens bedekt met een nanometer dikke laag moleculen. De beklede vezels worden vervolgens blootgesteld aan een intense vlam. Het buitenoppervlak van de moleculen ontbrandt gemakkelijk, waardoor de temperatuur in de directe omgeving stijgt.

Maar het binnenoppervlak van de moleculaire coating verandert chemisch, waardoor er een nog dunnere glaslaag rond de cellulosevezels ontstaat. Dit glas beperkt de hoeveelheid zuurstof die toegang kan krijgen tot de vezels, waardoor wordt voorkomen dat de cellulose in vlammen opgaat. In plaats daarvan smeulen de vezels langzaam en branden ze van binnenuit.

"Zonder de beschermende laag van de ITD zou het aanbrengen van vuur op cellulosevezels alleen maar resulteren in as", zegt Thuo. "Met de beschermlaag van de ITD krijg je koolstofbuizen."

"We kunnen de beschermende laag zo ontwerpen dat we de hoeveelheid zuurstof kunnen afstemmen die het doelmateriaal bereikt. En we kunnen het doelmateriaal zo ontwerpen dat de gewenste eigenschappen ontstaan."

De onderzoekers voerden proof-of-concept-demonstraties uit met cellulosevezels om koolstofbuizen op microschaal te produceren.

De onderzoekers konden de dikte van de koolstofbuiswanden regelen door de grootte van de cellulosevezels waarmee ze begonnen te regelen; door verschillende zouten in de vezels te brengen (wat de verbranding verder regelt); en door de hoeveelheid zuurstof die door de beschermlaag gaat te variëren.

"We hebben al verschillende toepassingen in gedachten, die we in toekomstige studies zullen behandelen", zegt Thuo. "We staan ​​ook open voor samenwerking met de particuliere sector om verschillende praktische toepassingen te onderzoeken, zoals het ontwikkelen van speciaal ontworpen koolstofbuizen voor de scheiding van olie en water, wat nuttig zou zijn voor zowel industriële toepassingen als milieusanering."

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition .

Meer informatie: Chuanshen Du et al, Ruimtelijk gerichte pyrolyse via thermisch veranderende oppervlakte-adducten, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308822

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Aangeboden door North Carolina State University