Blanding af grafen nanobånd, polymer har potentiale for biler, soda, øl

En opdagelse på Rice University har til formål at gøre køretøjer, der kører på komprimeret naturgas, mere praktiske. Det kan også forlænge holdbarheden af ​​flaskeøl og sodavand.

Kemikeren James Tours rislaboratorium har forbedret et polymermateriale for at gøre det langt mere uigennemtrængeligt for gas under tryk og meget lettere end metallet i tanke, der nu bruges til at indeholde gassen.

Kombinationen kan være en velsignelse for en bilindustri under pres for at markedsføre forbrugerbiler, der bruger billigere naturgas. Det kunne også finde et marked inden for mad- og drikkevareemballage.

Tour og hans kolleger i Rice og i Ungarn, Slovenien og Indien rapporterede deres resultater i denne uge i onlineudgaven af ​​tidsskriftet American Chemistry Society ACS Nano .

Ved at tilføje ændret, enkelt-atom-tykke grafen nanobånd (GNR'er) til termoplastisk polyurethan (TPU), rislaboratoriet gjorde det til 1, 000 gange sværere for gasmolekyler at slippe væk, sagde Tour. Det skyldes båndenes jævne spredning gennem materialet. Fordi gasmolekyler ikke kan trænge ind i GNR'er, de står over for en "slynget vej" til frihed, han sagde.

Forskerne anerkendte, at en solid, to-dimensionelle ark af grafen kan være den perfekte barriere for gas, men produktionen af ​​grafen i sådanne bulkmængder er endnu ikke praktisk, sagde Tour.

Men grafen nanobånd er der allerede. Tours banebrydende "unzipping"-teknik til at omdanne flervæggede kulstofnanorør til GNR'er, første gang afsløret i Nature i 2009, har fået licens til industriel produktion. "Disse bliver produceret i bulk, hvilket også skulle gøre containere billigere, " han sagde.

Forskerne ledet af Rice-studerende Changsheng Xiang producerede tynde film af kompositmaterialet ved at opløsningsstøbe GNR'er behandlet med hexadecan og TPU, en blokcopolymer af polyurethan, der kombinerer hårde og bløde materialer. Den lille mængde af behandlede GNR'er udgjorde ikke mere end 0,5 procent af kompositmaterialets vægt. Men de overlappende 200- til 300 nanometer brede bånd spredte sig så godt, at de var næsten lige så effektive som store ark grafen til at indeholde gasmolekyler. GNR'ernes geometri gør dem langt bedre end grafenplader til forarbejdning til kompositter, sagde Tour.

De testede GNR/TPU-film ved at sætte nitrogen under tryk på den ene side og et vakuum på den anden side. For film uden GNR'er, trykket faldt til nul på ca. 100 sekunder, da nitrogen undslap ind i vakuumkammeret. Med GNR'er på 0,5 procent, trykket rykkede ikke over 1, 000 sekunder, og det faldt kun lidt over mere end 18 timer.

Stress- og belastningstests viste også, at forholdet på 0,5 procent var optimalt til at forbedre polymerens styrke.

"Idéen er at øge tankens sejhed og gøre den uigennemtrængelig for gas, Tour sagde. "Dette bliver stadig vigtigere, efterhånden som bilproducenter tænker på at drive biler med naturgas. Metaltanke, der kan håndtere naturgas under tryk, er ofte meget tungere, end bilproducenterne ønsker."

Han sagde, at materialet kunne hjælpe med at løse langvarige problemer med fødevareemballage, også.

"Husk, da du var barn, ville du få en ballon, og den ville blive visnet næste dag? Det er fordi gasmolekyler går gennem gummi eller plastik, Tour sagde. "Det tog år for forskere at finde ud af, hvordan man laver en plastikflaske til sodavand. Enkelt gang, du kunne ikke få en kulsyreholdig drik i andet end en glasflaske, indtil de fandt ud af, hvordan man modificerede plastik til at indeholde kuldioxidboblerne. Og selv nu, sodavand på flaske går fladt efter en periode på måneder.

"Øl har et større problem, og på nogle måder, det er det omvendte problem, " sagde han. "Oxygenmolekyler trænger ind gennem plastik og får øllet til at blive dårligt." Flasker, der effektivt er uigennemtrængelige, kan føre til bryg, der holder sig frisk på hylden i meget længere tid, sagde Tour.