Forskere skaber ny højtydende fiber

Forskere ved Northwestern University har nanokonstrueret en ny slags fiber, der kunne være hårdere end Kevlar.

Arbejder i et tværfagligt team, der omfatter grupper fra andre universiteter og MER Corporation, Horacio Espinosa, James N. og Nancy J. Farley Professor i Manufacturing &Entrepreneurship ved McCormick School of Engineering and Applied Science, og hans gruppe har skabt en højtydende fiber fra carbon nanorør og en polymer, der er bemærkelsesværdigt sej, stærk, og modstandsdygtig over for fejl. Ved at bruge avancerede in-situ elektronmikroskopi-testmetoder, gruppen var i stand til at teste og undersøge fibrene i mange forskellige skalaer - fra nanoskalaen op til makroskalaen - hvilket hjalp dem med at forstå præcis, hvordan små interaktioner påvirker materialets ydeevne. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

"Vi ønsker at skabe en ny generation af fibre, der udviser både overlegen styrke og sejhed, " sagde Espinosa. "Et stort problem inden for tekniske fibre er, at de enten er stærke eller duktile - vi vil have en fiber, der er begge dele. De fibre, vi fremstillede, viser meget høj duktilitet og en meget høj sejhed. De kan absorbere og sprede store mængder energi før fejl. Vi observerede også, at styrken af ​​materialet forbliver meget, meget høj, som ikke har været vist før. Disse fibre kan bruges til en bred vifte af forsvars- og rumfartsapplikationer."

Projektet er en del af Forsvarsministeriets Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) program, som understøtter forskning udført af teams af efterforskere, der krydser mere end én traditionel videnskabs- og ingeniørdisciplin. Espinosa og hans samarbejdspartnere modtog $7,5 millioner fra U.S. Army Research Office til undersøgelse af forstyrrende fibre, som kunne bruges i skudsikre veste, faldskærme, eller kompositmaterialer, der anvendes i køretøjer, flyvemaskiner og satellitter.

For at skabe den nye fiber, forskere begyndte med kulstofnanorør — cylindrisk formede kulstofmolekyler, som individuelt har en af ​​de højeste styrker af noget materiale i naturen. Når du bundter nanorør sammen, imidlertid, de mister deres styrke - rørene begynder at glide sideværts mellem hinanden.

Arbejder med MER Corporation og bruger virksomhedens CVD-reaktor, holdet tilføjede en polymer til nanorørene for at binde dem sammen, og derefter spundet det resulterende materiale til garn. Derefter testede de materialets styrke og fejlprocenter ved hjælp af in-situ SEM-test, som bruger et kraftigt mikroskop til at observere deformationen af ​​materialer under en scannende elektronstråle. Denne teknologi, som kun har været tilgængelig i de sidste par år, giver forskere mulighed for at få billeder i ekstrem høj opløsning af materialer, når de deformeres og fejler, og giver forskere mulighed for at studere materialer i flere forskellige skalaer. De kan undersøge individuelle bundter af nanorør og fiberen som helhed.

"Vi lærte på flere skalaer, hvordan dette materiale fungerer, " sagde Tobin Filleter, en postdoc i Espinosas gruppe. "Vi bliver nødt til at forstå, hvordan molekyler fungerer på disse nanometerskalaer for at konstruere stærkere og sejere fibre i fremtiden."

Resultatet er et materiale, der er hårdere end Kevlar - hvilket betyder, at det har en højere evne til at absorbere energi uden at gå i stykker. Men Kevlar er stadig stærkere - hvilket betyder, at den har en højere modstand mod fejl. Næste, forskere håber at fortsætte med at studere, hvordan man konstruerer interaktionerne mellem kulstofnanorørbundter og mellem nanorørene i selve bundtet.

"Carbon nanorør, byggestenene i nanoskalaen i de udviklede garner, er stadig 50 gange stærkere end det materiale, vi har skabt, " sagde Mohammad Naraghi, en postdoc i Espinosas gruppe. "Hvis vi bedre kan konstruere interaktionerne mellem bundter, vi kan gøre materialet stærkere."

Gruppen ser i øjeblikket på teknikker - som kovalent tværbinding af rør i bundter ved hjælp af højenergielektronstråling - for at hjælpe bedre med at konstruere disse interaktioner.

Filleter og Naraghi sagde, at dette arbejde ikke ville have været muligt uden det tværfaglige team, der inkluderer en sammensmeltning af den akademiske verden med industrien.

"At arbejde i et miljø, hvor vi kan handle information frem og tilbage, er en unik mulighed, der vil presse teknologien længere, " sagde Naraghi. "MER har givet os et unikt råmateriale og et kommercielt perspektiv på projektet. På tur, vi giver den grundlæggende videnskabelige forståelse."