Projektet sigter mod at masseproducere nanoblade til sensorer, batterier

(Phys.org) – Forskere ved Purdue University er ved at udvikle en metode til at masseproducere en ny type nanomateriale til avancerede sensorer og batterier, med et øje mod fremstilling i Midtvesten.

Forskningsresultater viser, at materialet viser lovende som en sensor til at detektere glukose i spyt eller tårer og for "superkondensatorer", der kunne muliggøre hurtig opladning, højtydende batterier.

Imidlertid, For at materialet skal kommercialiseres skal forskere finde en måde at masseproducere det på til lave omkostninger.

"Det er én ting at sige, at du har fået et nyt vidundermateriale, men kan du bevise, at det kan laves i kommerciel målestok?" sagde Arvind Raman, Robert V. Adams professor i maskinteknik. "I mange tilfælde oplever vi, at der skal laves grundforskning for at opskalere. Man vil gerne kunne producere store mængder af materialet til 50 cents pr. kvadratmeter."

Nu, et hold af Purdue-forskere vil sigte mod at gøre netop det. Projektet, finansieret med et tilskud på $1,5 millioner fra National Science Foundation, fokuserer på at skabe en nanofremstillingsmetode, der er "skalerbar, " eller i stand til masseproduktion til lave omkostninger.

Den underliggende teknologi er udviklet af en forskergruppe ledet af Timothy Fisher, James G. Dwyer professor i maskinteknik. Den består af lodrette nanostrukturer, der ligner små rosenblade lavet af et materiale kaldet grafen, som er en enkelt-atom-tyk film af kulstof.

"Ved at bruge disse grafen nanoblade har vi opnået enestående ydeevne i en lang række enheder i laboratorieskala, " sagde Fisher.

Forskerne håber at øge produktionshastigheden af ​​nanobladbelagte overflader til 10 kvadratmeter i timen, hvilket repræsenterer en dramatisk stigning i forhold til produktionshastigheden i laboratorieskala.

Raman har ekspertise i roll-to-roll fremstilling, en grundpille i mange industrielle operationer, herunder papir- og pladeproduktion. Han modellerer mekanikken i processen med at skabe fleksible materialer i plader ved høj hastighed og under spænding.

"En nøglefaktor bliver industripartnere, " sagde han. "Der er mange industrier, der har roll-to-roll operationer. Så det er meget strategisk for Midtvesten at fokusere på roll-to-roll som en platform for produktion af nanomaterialer."

Han har også ekspertise i præcisionsmåling ved hjælp af et atomkraftmikroskop.

"Du skal kunne måle materialet, mens det bliver fremstillet, og dette er en udfordring på grund af kronbladenes nanometerskala, " han sagde.

Nanobladene af grafen har også vist sig at være et "termisk interface"-materiale for at forhindre, at computerchips overophedes.

"En række nye enheds- og materialekoncepter baseret på nanoblade af grafen dukker op i applikationer så forskellige som kulfiberkompositter og nye termiske grænsefladematerialer, "Raman sagde. "Kommerciel interesse er ekstremt høj for dette nylige kulstof nanomateriale. "

Andre nøgleforskere i projektet er Alina Alexeenko, en lektor i luftfart og astronautik; Alexander Wei, en professor ved Institut for Kemi; Ernesto E. Marinero, en professor i ingeniørpraksis ved skolerne for kemiteknik og materialeteknik; og Euiwon Bae, en forskningsprofessor i maskinteknik.

Nanobladene skabes i et vakuum ved at udsætte en klud af kulfiber for højenergiplasma, der indeholder brintioner og andre ingredienser, en proces kendt som plasma-forstærket kemisk dampaflejring. Alexeenko vil lede arbejdet med at modellere plasmareaktoren og optimere dens betingelser for hurtig og miljøvenlig omdannelse af råmaterialer, såsom metan og brint, til kulstof nanoblade.

Wei vil funktionalisere kronblade med metal nanopartikler og enzymer, der genkender glucose eller andre målmolekyler til biosensing. Marinero vil fokusere på pålideligheden af ​​enheder fremstillet ved hjælp af nanomaterialet, og Bae vil arbejde for at sikre korrekt kronbladstørrelse ved at analysere mønstre af lysspredning fra materialets overflade.

Det meste af forskningen vil være baseret på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.

"Opskalering af produktion er en nøgleudfordring for nanoteknologi, " sagde Ali Shakouri, Mary Jo og Robert L. Kirk Direktør for Birck Nanotechnology Center og professor i elektro- og computerteknik. "Dette NSF-projekt er en del af et bredere nanofremstillingsinitiativ på Birck Nanotechnology Center, hvor vi fokuserer på rulle-til-rulle-produktion af smarte tynde film til applikationer i apotek og fødevareemballage."

Wei sagde, "Projektet repræsenterer forkanten af ​​en meget større bevægelse hos Purdue for at synergi kerneforskningsekspertise inden for videnskab og teknik på en måde, der giver kandidatstuderende muligheder for at overvinde udfordringerne ved at konvertere spændende forskningsopdagelser til produkter, der kan kommercialiseres."

Teknologier udviklet i projektet kan kommercialiseres gennem samarbejde med en lokal nystartet virksomhed, Folium Nanotechnologies LLC, medstiftet af Fisher og Marinero, samt Roche Diagnostics og Battery Innovation Center. Centret blev lanceret i år for at udnytte Indianas offentlige og private sektors aktiver i avancerede batteriteknologier for at lette forskning og udvikling, hurtig prototyping og kontraktfremstilling til industrien, akademiske og militære kunder.

"En regional workshopserie om roll-to-roll nanofremstilling vil blive organiseret for at tjene som en katalysator for innovation i Midtvesten ved at samle interesserede små, mellemstore og store virksomheder sammen med producenter af originalt udstyr og universitetsforskere, " sagde Raman.

Den nye teknologi kan være af særlig interesse for batteriproducenter i Indiana.

Forskerne vil også stille avancerede simuleringsværktøjer til vakuumbaserede roll-to-roll-processer til rådighed. Værktøjerne vil være tilgængelige for virksomheder gennem cyberinfrastrukturen i produktions-HUB og nanoHUB, et interaktivt websted, der gør videnskabelige simuleringer tilgængelige, seminarer, interaktive kurser og andre specialiserede nanotek-relaterede materialer.

"Vi vil uddanne den amerikanske arbejdsstyrke gennem en innovativ onlinekursus om nanofremstilling, der tilbydes som en del af nanoHUB U-initiativet, " sagde Raman.

Forskningen har potentiale for bred effekt.

"Mange resultater fra denne forskning er ikke kun anvendelige til grafen nanopetalteknologi, men snarere til en bred vifte af nanomaterialer fremstillet i lavtryks- og omgivende roll-to-roll nanofremstillingsprocesser, " han sagde.