Den rigtige opskrift:Ingeniørforskning forbedrer laserdetektorer, batterier

Tænk på det som madlavning med kulstofspaghetti:En forsker fra Kansas State University er ved at udvikle nye måder at skabe og arbejde med kulstofnanorør - ultrasmå rør, der ligner spaghettistykker eller snore.

Disse carbon nanorør - lavet af grafen, et atom-tykt lag kulstof-har de perfekte ingredienser til forbedring af laserdetektorer og genopladelige batterier, ifølge forskning af Gurpreet Singh, adjunkt i maskin- og atomteknik. Singh arbejder på flere projekter med kulstof nanorør og polymer-afledt keramisk materiale.

Et projekt involverer nye måder at lave mad på eller skabe et keramisk kulstof nanorør materiale. Den konventionelle måde at fremstille denne type materiale på er at tage en flydende polymer, hæld det i en form og varm det i en ovn, indtil polymeren danner en keramik.

Singhs team prøvede en ny tilgang. De er blandt de første til at skabe deres egen modificerede flydende polymer med fire ingredienser:silicium, bor, kulstof og nitrogen. Men i stedet for at opvarme denne flydende polymer i en ovn, de opvarmede det i en konventionel mikrobølgeovn - den slags, der bruges i køkkener. De fandt ud af, at mikroovnen opvarmer nanorørene lige så godt som en ovn.

"Det, vi gjorde, var at reducere tiden til at konstruere keramik, "Sagde Singh." Hvis du bruger en ovn eller varmelegeme, du skal varme det op et stykke tid. Med mikrobølgeovnen, det er hurtig opvarmning inden for få minutter. "

Deres arbejde - medforfatter sammen med deres universitetskollega William Kuhn, professor i el- og computerteknik - for nylig optrådt i tidsskriftet Anvendte materialer og grænseflader , udgivet af American Chemical Society. En anden publikation, der involverer konventionel behandling, vil blive vist i Journal of American Ceramic Society .

Når dette keramiske carbon nanorør materiale er oprettet, den har flere applikationer. Singhs team er involveret i et projekt med Laser Radiometry Team på National Institute of Standards and Technology, eller NIST, i Boulder, Colo., som arbejder på at udvikle målemetoder til industrielle lasere med høj effekt til fremstilling.

Singhs team hjælper instituttet med at forbedre, hvordan lasereffekt måles. I øjeblikket, lasermålinger involverer en kegleformet kobberdetektor dækket af kulstofmaling. Laseren skinner gennem keglen, absorberes af den sorte maling, opvarmer kobberkeglen og opvarmer derefter et vandfald ved detektorens bagende. Ved at måle vandets stigende temperatur, forskere kan bestemme laserens energi.

Singh-teamet har forbedret denne proces ved at lave den kegleformede detektor af det keramiske nanorørs kompositmateriale. Fordi keramik kan modstå høje temperaturer, det beskytter nanorørene, som absorberer laserlyset for at opvarme keglen.

"Vi kontrollerer materialets stabilitet, "Singh sagde." Vi karakteriserer det og sender derefter prøverne til NIST for at teste. "

Et andet projekt for Singhs team bruger det keramiske carbon nanorør-materiale til at forbedre ydeevnen af ​​genopladelige batterier. Materialet adresserer fire måder, hvorpå genopladelige batterier kan forbedres:at have en større lagerkapacitet, har en længere batterilevetid, genoplades hurtigt og giver en masse strøm på kort tid.

Disse keramiske materialer kan reversibelt opbevare lithium, hvilket betyder, at lithium kan gå ind og ud af det. Nuværende genopladelige batterier bruger grafit til at opbevare lithium. Men efterhånden som grafitten slides ned, et batteri bliver mindre effektivt og forbliver opladet i kortere tid.

Evnen til at genoplade hurtigt og give en masse strøm på kort tid er især nøglen til elbiler. Mange nuværende elbilsdesign tager flere timer at genoplade og tager lang tid at accelerere. Forskere, der ønsker at oprette et batteri, der kan genoplades på få minutter og levere strøm hurtigt, kan nu have en løsning.

Singhs team har allerede set tidlig succes med deres arbejde:Foreløbig forskning viser, at når det keramiske materiale bruges i batterier, det fordobler eller tredobler batteriets kapacitet for høj strøm. Materialet er også termodynamisk stabilt, så den kan overleve længere cyklusser.

"Det ville være rigtig rart at have et materiale, der har høj kapacitet, kan oplades hurtigt og er også stabil, " sagde Singh. "Med dette keramiske materiale, den skal være stærk nok, så den med tiden ikke nedbrydes. Det er det ultimative mål. "

Deres batteriarbejde vil blive vist senere i år i bladet Nanomaterialer og energi , udgivet af Institutionen for Civilingeniører. Forskerne er i øjeblikket ved at oplade og genoplade batterierne i flere cyklusser for at forstå, hvor længe batterierne fremstillet af materialerne kan holde.

Et afsluttende projekt fra Singhs team involverer brugen af ​​"nano-fingre, "som er skarpe wolframnåle, der kan sonde og opsamle kulnanorør. Forskerne bruger disse nanofingre under et elektronmikroskop til at udføre undersøgelser med individuelle kulnanorør og keramiske nanotråde.

Singhs forskning er blevet støttet med $57, 000 fra EPSCoR -programmet med National Science Foundation. Hans forskerhold består af to kandidatstuderende - Romil Bhandavat og Lamuel David, både ph.d.-studerende i maskinteknik, Indien, - og en bachelorstuderende Uriel Barrera, en anden studerende i maskinteknik, Olathe.