Grafen nanorribbons en issmeltende frakke til radar

(Phys.org) — Bånd af ultratynd grafen kombineret med polyurethanmaling beregnet til biler er det helt rigtige til afisning af følsomme militære radarkupler, ifølge forskere ved Rice University.

Kemikeren James Tours rislaboratorium, i samarbejde med Lockheed Martin, udviklet forbindelsen til at beskytte marine og luftbårne radarer med en robust belægning, der også er gennemsigtig for radiofrekvenser.

Forskningen blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader .

Voluminøse radarkupler (kendt som "radomer") som dem, der ses på militærskibe, forhindrer is og frostregn i at dannes direkte på antennerne. Men selve kuplerne skal også holdes fri for is, der kan beskadige dem eller gøre dem ustabile. Denne opgave udføres normalt med en metalramme, der understøtter og opvarmer keramisk aluminiumoxid (aluminiumoxid), sagde Tour. Men disse materialer er tunge, og metalliske elementer skal installeres langt fra kilden til radiosignaler for at undgå at forstyrre.

"Det er meget svært at afise disse aluminiumoxidkupler, " sagde Tour. "Det kræver meget strøm at opvarme dem, når de er belagt med is, fordi de er meget dårlige ledere."

Indtast grafen, den enkeltatom-tykke kulstofplade, der både leder elektricitet og, fordi den er så tynd, tillader radiofrekvenser at passere uhindret. Spray-on afisningsmateriale, der indeholder grafen nanobånd, ville være lettere, billigere og mere effektive end nuværende metoder, sagde Tour.

"Dette startede, da (Lockheed Martin-ingeniør) Vladimir Volman så en præsentation af Yu Zhu, en postdoc i mit laboratorium på det tidspunkt, " sagde han. "Volman havde beregnet, at man kunne føre en strøm gennem en grafenfilm, der er mindre end 100 nanometer tyk, og få resistiv opvarmning, der ville være fantastisk til afisning. Zhu præsenterede sin teknik til at sprøjte film med nanobånd, og Volman erkendte potentialet."

Uberørt grafen transmitterer elektricitet ballistisk og ville ikke producere nok varme til at smelte is eller forhindre den i at dannes, men graphene nanoribbons (GNR'er), der er trukket ud af flervæggede kulstof nanorør i en kemisk proces opfundet af Tour-gruppen i 2009, gør arbejdet godt, han sagde. Når den er jævnt fordelt på en fast genstand, båndene overlapper hinanden, og elektroner passerer fra den ene til den næste med lige tilstrækkelig modstand til at producere varme som et biprodukt. Effekten kan indstilles baseret på tykkelsen af ​​belægningen, sagde Tour.

I indledende forsøg, holdet ledet af Volman og Zhu sprøjtede en overflade med opløselige GNR'er. "De sagde, at det fungerede godt, men det kommer af på vores fingre, når vi rører ved det, " sagde Tour.

Han fandt løsningen i en autoreservebutik i Houston. "Jeg købte noget polyurethan billak, som er ekstremt robust. På en bil, det holder i årevis. Så da vi kombinerede malingen og GNR'erne og coated vores prøver, det havde alle de egenskaber, vi havde brug for."

Laboratorieprøver op til to kvadratfod blev samlet ved hjælp af et fleksibelt polymersubstrat, polyimid, som blev spraybelagt med polyurethanmaling og fik lov til at tørre. Det belagte underlag blev derefter lagt på en kogeplade for at blødgøre malingen, og en tynd GNR-frakke blev airbrushet på. Når det er tørret, de indlejrede bånd blev umulige at fjerne. Tour sagde, at forskerne også har forsøgt at sætte GNR'er under polyurethanmalingen med gode resultater.

Det 100 nanometer lag af GNR'er - tusindvis af gange tyndere end et menneskehår - blev hægtet til platinelektroder. Brug af spænding, der er fælles for systemer om bord, forbindelsen var tilstrækkelig til at afise laboratorieprøver afkølet til -4 grader Fahrenheit inden for få minutter. Yderligere eksperimenter viste, at de var næsten usynlige for radiofrekvenser.

Tour sagde, at tilgængeligheden af ​​nanobånd ikke længere er et problem, nu hvor de bliver produceret i industrielle mængder.

"Nu går vi til næste niveau, " han sagde, bemærker, at GNR-film lavet til gennemsigtige film kan være nyttige til afisning af bilforruder, et projekt, laboratoriet har til hensigt at forfølge.

Volman foreslog, at materialet ville være en overbevisende konkurrent til nyligt udråbte nanorør-baserede aerogeler til afisning af fly om vinteren. "Vi har teknologien, vi har materialet, " sagde han. "Det er meget holdbart og kan sprøjtes på for at opvarme enhver form for overflade."