Spinding af højstyrke polymer nanofibre

Spiderman har fundet ud af det.

Det er da ikke tilfældigt, at når Sheng Shen taler om sit arbejde med polymer nanofibre, sammenligner han det med en edderkop, der spinder sit spind.

"Ligesom en edderkop syntetiserer silke fra proteinpolymer for at danne en fiber med en styrke svarende til stål med høj trækstyrke, polymerer kan spindes og trækkes for at danne materialer med høj styrke med usædvanlig høj varmeledningsevne, " sagde Shen, lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University.

Shen og hans team har udviklet en polymer nanofiber, der er stærk, letvægts, termisk ledende, elektrisk isolerende, og biokompatibel. De opnåede alt dette i en enkelt polymerfiberstreng, der måler mindre end 100 nanometer.

Ifølge Shen, den potentielle effekt af denne udvikling er enorm. Karakteristikaene ved hans polymer nanofiber giver det anvendelse i rumfart og bilsystemer, anlægs- og konstruktionsteknik, hospitalsudstyr, og robotteknologi.

I deres enkleste form, polymerer er masser af identiske molekyler, der er sat sammen igen og igen. Molekylerne kunne forbindes i "simple" kæder eller mere komplicerede strukturer. På den ene eller anden måde, den resulterende polymer har de samme egenskaber som de molekyler, der blev brugt til at skabe den. Det betyder, at en polymer kan være klæbrig, solid, bøjelig, eller et hvilket som helst antal andre fysiske egenskaber indeholdt i dets molekyler.

Traditionelt, sagde Shen, polymerer er "den generelle materialeplatform (brugt) til at udvikle multifunktionelle materialer, "inklusive plastik, nylon, og gummier. Polymerer behandles let til relativt lave priser, men har deres ulemper.

Prototypiske bulkpolymerer er ofte amorfe, hvilket betyder, at deres molekylekæder er tilfældigt snoede og mangler en defineret form og form. Denne mangel på definition kan føre til nedsat styrke, reduceret varmeledningsevne, og øgede defekter som hulrum og molekyleforviklinger.

Udfordringen var at udvikle en polymer, der både er ultrastærk og termisk ledende.

For Shen, stedet at gøre dette var på nano-niveau. På dette niveau - en milliarddel af en meter - kan Shen konstruere individuelle molekyler til at slutte sig sammen på præcis den måde, han ønsker, at de skal slutte sig til.

"På nanoskalaen, polymerkæderne bliver meget orienterede, og defekter, der lavere styrke og termisk ledningsevne kan elimineres, " sagde Shen.

Den resulterende polymer nanofiber har en Young's Modulus (målet for stivheden af ​​et fast materiale) og en styrke, som Shen sagde, er 300 gange større end bulkpolymerer.

Hvad angår termisk ledningsevne, Shen rapporterer, at hans polymer nanofiber måler en ledningsevne på 100 W/mK. Gennemsnitlig, stålets ledningsevne er 54 W/mK og jernhastigheden er 73 W/mK.

"Disse nanofibre giver en billig vej til at opnå højeffektiv varmefjernelse i elektroniske systemer, " sagde Shen. "De kan også være biokompatible varmespredere til at forbedre patientplejen."

Til dato, Shen og hans team har testet enkelte nanofibre. På baggrund af resultaterne fra disse tests, de har rettet deres opmærksomhed mod at skabe en innovativ fremstillingstilgang, der vil give mulighed for masseproduktion af polymer nanofibrene.

Shen er overbevist om, at han og hans team har opfundet et produkt, der vil have praktiske og storstilede virkninger før end senere.

"Vi tror virkelig på, at dette er en spilskiftende teknologi ved at transformere polymerer fra bløde og termisk isolerende materialer til ultrastærke og termisk ledende materiale, " sagde Shen.

Ph.D. kandidat Ramesh Shrestha og Maarten de Boer, professor i maskinteknik, ydet væsentlige bidrag til denne forskning. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation .