Kul afslører en sofistikeret side:Beskidt kulstof kan bruges til at lave en række nyttige enheder

Tjære, det daglige materiale, der tætner sømme i vores tage og indkørsler, har en uventet og ikke værdsat kompleksitet, ifølge et MIT-forskerhold:Det kan en dag være nyttigt som råmateriale til en række højteknologiske enheder, herunder energilagringssystemer, termisk aktive belægninger, og elektroniske sensorer.

Og det er ikke kun tjære. Professor Jeffrey Grossman har også et meget andet syn på andre fossile brændstoffer. I stedet for at bruge disse materialer som billige råvarer til at brænde op, tætne revner med, eller bortskaffe, han ser potentiale for en lang række applikationer, der drager fordel af den meget komplekse kemi, der er indlejret i disse ældgamle blandinger af biomasse-afledte kulstofforbindelser.

En væsentlig fordel ved sådanne applikationer er, at de giver en måde at genbruge materialer, som ellers ville blive brændt, øger drivhusgasemissionerne, eller bortskaffes på lossepladser. Disse anvendelser kan føre til en "grønning" af ellers klimaskadende kul og andre kulstofbaserede materialer, siger Grossman.

I sin seneste forskning, Grossman, sammen med postdoc Xining Zang, forsker Nicola Ferralis, og fem andre, fundet måder at bruge kul på, tjære, og pitch for at producere tynde belægninger med meget kontrollerbar og reproducerbar elektrisk ledningsevne, porøsitet, og andre ejendomme. Ved hjælp af en laser, de var i stand til at lave prototype-enheder fra de billige, allestedsnærværende materialer, inklusive en superkondensator til at lagre elektricitet, en fleksibel strain gauge, og en gennemsigtig varmelegeme.

Arbejdet, beskrevet i journalen Videnskabens fremskridt , undersøger alternative måder at bruge kulholdige tunge kulbrinter på, som er dannet over millioner af år med geologisk bearbejdning af forfaldet plantemateriale gennem varme og tryk. Disse materialer, Grossman siger, give et rigt udvalg af atomare konfigurationer med forskellige kemiske og strukturelle egenskaber, uovertruffen af ​​noget syntetisk, forarbejdede kulstofbaserede nanomaterialer.

For at gøre brug af disse materialeegenskaber, holdet brugte en proces kaldet laser annealing til at skabe ultratynde lag af kulholdige materialer, aflejret på et underlag. De producerede specifikke funktionelle enheder ved at afsætte og ætse mønstre i lag lavet af forskellige kulstofbaserede materialer.

I en vis forstand, hvad holdet gjorde, var det omvendte af traditionel behandling af fossile brændstoffer, hvor den komplekse blanding af kulbrinter gennemgår trin efter trin med at nedbryde kemiske bindinger og udskille forskellige forbindelser. I dette arbejde, de forskellige slags tunge kulbrintekomplekser blev brugt, som de er, gør brug af de mange forskellige egenskaber, der findes i de forskellige materialer - kultyper, petroleumsdampknækket tjære, og mesofase pitch, hvoraf de fleste er enten biprodukter, der typisk skal bortskaffes, eller brændstoffer, der hurtigt er ved at blive udfaset.

Gennem en kombination af at vælge det helt rigtige råmateriale og variere timingen og styrken af ​​laserimpulser, der bruges til at udgløde materialet, holdet var i stand til at kontrollere en række fysiske, optisk, elektriske, magnetiske, og andre ejendomme. Ved at kombinere forskellige materialer, de siger, en hel række af enheder kunne produceres på én gang på et enkelt substrat.

"Vi kan så skabe alt fra grafen til en slags aromatisk rige polymerer, " siger Ferralis, "og med egenskaber, der kan ændre sig meget, fra at være termiske og elektriske isolatorer, til termiske og elektriske ledere. Vi kan ændre porøsitet, så det giver os ikke kun mulighed for at skabe solide film, men også for at skabe materialer, der er meget porøse, så vi faktisk kan lave membraner."

Dette udvalg af materialeegenskaber kan blandes og matches, måske muliggør, for eksempel, skabelsen af ​​en række kulholdige "blæk" til 3-D-print, han siger.

"Men i stedet for at ændre farverne, " Ferralis siger, "du ændrer faktisk den type forløber, du laver. Du tilføjer lidt mere tjære, lidt mindre tonehøjde, eller lidt mere af nogen af ​​de andre ting, som vi fremhævede i avisen. Det kunne give, for eksempel, evnen til at lave, i samme film, en membran, en elektrisk enhed, og et energilagringssystem, og så videre og så videre, på efterspørgsel."

Materialerne kan være stort set alle slags tunge kulbrinter, hvoraf mange findes i stor overflod som affaldsprodukter fra olieproduktion eller kemisk forarbejdning. "I bund og grund, hvad vi leder efter, er ethvert materiale, der er tungt i aromater, betyder tunge kulbrinter, som folk ikke ved, hvad de skal gøre med det, " siger Zang. "Så vi er ret agnostiske med hensyn til, hvad vi kan bruge."

Ved at bruge præcist timede og indstillede pulser fra en kuldioxidlaser, holdet var i stand til at kontrollere egenskaberne af det belagte materiale, sprænge det med impulser, der kunne generere meget lokaliserede temperaturer så høje som 2, 000 grader Celsius, mens de omgivende områder efterlades så upåvirkede, at processen kunne udføres selv på bløde underlag som plastik, de siger.

"Vi har denne meget heterogene, rodet råmateriale, " siger Grossman, "men det er så billigt og rigt med nyttig kemi." Ideen er at forstå det godt nok til at kunne "anvende enkelt, skalerbare produktionsværktøjer, så vi kan drage fordel af denne forståelse for at få det til at gøre noget anderledes for os." Kort sagt, han siger, "Vi finder dette materiale, der tidligere blev anset for at være begrænset i dets anvendelse (kun som et brændstof til at brænde, for eksempel), og ved at forstå dens atomare struktur, vi er i stand til at anvende principper for materialedesign og konstruktion for at gøre det nyttigt på bredere måder."

Mens dette indledende arbejde fokuserede på tynde film, råmaterialerne er så billige, at sådanne materialer i sidste ende også kan bruges til bulkapplikationer, siger Ferralis. "Hvis vi kan skalere denne proces op til bulksystemer, dette kan bruges i strukturelle materialer, for eksempel, eller isolering til boliger. Ting, der faktisk kræver meget af materialet." Det kan endda give et økonomisk løft for kulproducerende regioner, der nu lider under sammenbruddet af den kuldrevne elkraftværksindustri til at blive producenter af en helt ny familie af produkter af højere værdi , foreslår han.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.