Spinning the unspinnable:Brug af biscrolling-teknologi opfundet ved UT Dallas

Nanoteknologer ved University of Texas i Dallas har opfundet en bredt anvendelig teknologi til fremstilling af vævbare, strikkeligt, sybar, og knytbare garner indeholdende op til 95 vægtprocent af ellers uspindelige gæstepulvere og nanofibre. En lille mængde værts-nanorørsvæv, som kan være lettere end luft og stærkere pund-per-pund end stål, begrænser gæstepartikler i korridorerne af stærkt ledende ruller uden at forstyrre gæstefunktionaliteten til sådanne applikationer som energilagring, energiomdannelse, og energihøst.

Ved hjælp af konventionel teknologi, pulvere holdes enten sammen i et garn ved hjælp af et polymerbindemiddel eller inkorporeres på fiberoverflader, og begge tilgange kan begrænse pulverkoncentrationen, pulvertilgængelighed for at give garnfunktionalitet, eller den nødvendige styrke til garnforarbejdning til tekstiler og efterfølgende anvendelser.

I 7. januar-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab , medforfattere, der arbejder i Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute of UT Dallas, beskriver brugen af ​​biscrolling til at løse disse problemer, og demonstrere muligheden for at bruge deres biscrollede garner til applikationer lige fra superledende kabler og elektroniske tekstiler til batterier og brændselsceller indeholdende fleksible vævede elektroder.

Biscrollede garn får deres navn fra den måde, de er fremstillet på:Et ensartet lag af gæstemateriale aflejres oven på en bane af kulstof nanorør, som kaldes værten. Denne dobbeltlags gæste-/værtsstabel snoes derefter for at danne et biscrollet garn. Afhængigt af endebegrænsninger og symmetrien af ​​påførte spændinger, twist indsættelse resulterer i forvrængede versioner af enten Archimedean, dobbelt arkimedæer, eller Fermat ruller, som er tredimensionelle forlængelser af de arkimedeiske og fermat-spiraler og spiralkombinationer fundet i naturen og æret af forskellige kulturer i tusinder af år.

Kulstofnanorørsvævene, som opfinderne brugte til biscrolling, er ikke almindelige kulstofnanorørplader - de kan trækkes op til to yards/sekund fra skove af kulstofnanorør, som ligner bambusskove, hvor bambustræer med en diameter på to tommer rejser sig en kilometer op i himlen. Fire ounce af disse plader ville dække en hektar, og de er omkring 50 nm tykke, når de komprimeres, som er omkring tusind gange tyndere end et menneskehår eller et ark almindeligt papir.

Disse stærke carbon-nanorørsvæv holder biscrollede garner sammen, der for det meste er pulvere, og muliggør endda maskinvask af tekstiler, der indeholder biscrollede garner uden væsentligt pulvertab. Webtyndhed betyder, at hundredvis af rullelag kan rummes i et biscrollet garn, der har omtrent samme diameter som et menneskehår. På samme tid, nanorørbanen giver elektrisk ledningsevne til garnet, og den nødvendige porøsitet for at få adgang til partiklerne, der er fanget i vævskorridorer, til væsker og gasser til elektrokemiske og sensoranvendelser.

Valget af gæst bestemmer funktionaliteten af ​​biscrollede garner. Bruger som gæst op til 95 vægtprocent LiFePO¬¬4¬, et bemærkelsesværdigt materiale til lithium-ion-batterier, højtydende lithium-ion batterielektroder blev demonstreret af UT Dallas forskere, og vist at have batteriydelsen, fleksibilitet og mekanisk robusthed nødvendig for inkorporering i energilagrende og energigenererende beklædning. Biscrolling nitrogen-doteret carbon nanorør-gæst leverede stærkt katalytiske brændselscellekatoder til kemisk generering af elektrisk energi, som undgår behovet for dyr platinkatalysator. Ved at biscrolle en blanding af magnesium- og borpulver og termisk behandling, superledende MgB2-garn blev produceret, hvilket eliminerede de tredive eller flere træktrin, der blev brugt til konventionel produktion af superledende ledninger. Brug af fotokatalytisk titaniumdioxidgæst, biscrollede garner til selvrensende stoffer blev opnået.

"UT Dallas's biscrolling-teknologi er rig på anvendelsesmuligheder, der går langt ud over dem, vi beskrev i Videnskab magasin. For eksempel, vores samarbejdspartner professor Seon Jeong Kim fra Hanyang University i Korea har allerede brugt biscrollet garn til at lave forbedrede biobrændstofceller, som i sidste ende kan bruges til at drive medicinske implantater, " sagde artiklens tilsvarende forfatter, Dr. Ray H. Baughman, Robert A. Welch professor i kemi og direktør for UTD's NanoTech Institute. "Jeg er især stolt af to af vores tidligere NanoExplorer gymnasieelever, Carter Haines og Stephanie Stoughton, som er bachelor-medforfattere til både vores artikel i Science magazine og vores internationalt indleverede patentansøgning om biscrolling."