Dr. Amir Asadi, assistent-professor bij de afdeling Engineering Technology and Industrial Distribution aan de Texas A&M University, maakt baanbrekende vooruitgang op het gebied van composietmaterialen. Zijn onderzoek onderzoekt het inbedden van nanostructuren met patronen, bestaande uit meerdere materialen, in hoogwaardige composieten om de gewenste multifunctionaliteit te bereiken zonder andere eigenschappen op te offeren. Dit zou kunnen leiden tot vooruitgang op verschillende gebieden, waaronder elektronica, energieopslag, transport en consumentenproducten.

Asadi's werk heeft belangrijke implicaties, omdat het de uitdaging aanpakt om tegelijkertijd twee eigenschappen – multifunctionaliteit en structurele integriteit – te verbeteren in composietmaterialen, die bestaan ​​uit ten minste twee materialen met verschillende eigenschappen. Door nanostructuren met patronen op te nemen, wil hij de wisselwerking tussen deze eigenschappen overwinnen, waardoor de noodzaak om de ene op te offeren om de andere te verbeteren bij de huidige productiemethoden wordt geëlimineerd. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

Hij legt uit:"Momenteel wordt het vervaardigen van materialen met gelijktijdig gemaximaliseerde functionaliteit en structurele prestaties als paradoxaal beschouwd. Het verhogen van de elektrische geleidbaarheid vermindert bijvoorbeeld vaak de sterkte of omgekeerd; het vergroten van de sterkte vermindert gewoonlijk de breuktaaiheid."

Asadi haalt echter inspiratie uit natuurlijke structuren, zoals de olifantenslurf, die schijnbaar onverenigbare eigenschappen en functionaliteit bezit.

"Natuurlijke structuren met eigenschappen die in de hedendaagse techniek als onverenigbaar worden beschouwd, bestaan ​​al, zoals een olifantenslurf die tegelijkertijd stijf en sterk is, maar ook flexibel en delicaat om kleine groenten te hanteren en tegelijkertijd communicatie- en detectiefunctionaliteiten heeft, allemaal voortkomend uit de gespierde hydrostatenarchitectuur." /P>

Het onderzoeksteam gebruikte een unieke methode om aan te passen hoeveel een materiaal water absorbeert of afstoot, bekend als de amfifiliciteitsgraad, in meerdere nanomaterialen. Met behulp van deze materialen creëerden en combineerden ze specifieke patronen, ring- en schijfpatronen genaamd, die de uiteindelijke eigenschappen van composietmaterialen bepalen.

Hiervoor gebruikten ze een nauwkeurig spuitsysteem met kooldioxide (CO₂ ) om de patronen op het oppervlak van koolstofvezels af te zetten. Hierdoor konden ze de grootte van de druppels, de patronen op microscopische schaal en de interacties tussen de materialen controleren, waardoor uiteindelijk de gewenste eigenschappen werden bereikt. In dit onderzoek brachten waterdruppeltjes de nanomaterialen met behulp van het sproeisysteem naar het oppervlak van koolstofvezels.

"We hebben een nieuwe spuittechniek ontwikkeld, superkritisch-CO₂ genoemd geassisteerde verneveling, waarbij gebruik wordt gemaakt van de eigenschappen van superkritisch CO₂ en de hoge oplossing ervan in water, waardoor verschillende kleine druppeltjes kunnen ontstaan ​​in een suspensie bestaande uit water en nanomaterialen", zegt Dr. Dorrin Jarrahbashi, co-auteur van het tijdschriftartikel van de groep, "Multifunctionality Through Embedding Patterned Nanostructures in High-Performance Composites."

"In tegenstelling tot conventionele benaderingen waarbij materialen met gewenste intrinsieke eigenschappen worden geïntegreerd om functionaliteit toe te voegen, introduceert dit onderzoek het concept van het integreren van nanopatronen en laat zien dat verschillende patronen van hetzelfde materiaal zullen leiden tot verschillende eigenschappen in composieten op macroschaal", aldus Asadi. "Als gelijktijdige verbetering van functionaliteit en structurele eigenschappen het doel is, kunnen patronen worden gecombineerd en synergetisch alle gewenste eigenschappen verbeteren."

De aanpak van Asadi heeft verschillende voordelen. Het biedt een praktische, schaalbare, economisch haalbare methode voor het creëren van nanogestructureerde materialen en componenten met afstembare eigenschappen. Het gebruik van diverse materialen en nauwkeurige controle over de architectuur op schalen met meerdere lengtes vergroot de veelzijdigheid en het aanpassingspotentieel van de composieten.

Naarmate het onderzoek vordert, zal het werk van Asadi waarschijnlijk een revolutie teweegbrengen in de productie van hoogwaardige composieten.

De potentiële impact van dit onderzoek reikt verder dan de wetenschappelijke gemeenschap. "Het onderzoek is veelbelovend en zal levens beïnvloeden", aldus Asadi. “De geïntroduceerde eenvoudige maar schaalbare techniek zal de uiteindelijke kosten van ingewikkelde en complexe apparaten verlagen en de productie van nanogestructureerde composieten verbreden, wat bijdraagt ​​aan de Amerikaanse economie en arbeidsmarkt. Dit zou kunnen resulteren in verbeterde apparaten, efficiëntere energiesystemen en innovatieve producten die de het dagelijks leven."

Meer informatie: Ozge Kaynan et al, Multifunctionaliteit door het inbedden van nanostructuren met patronen in hoogwaardige composieten, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202300948

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Texas A&M University