Hvordan kusiner og kusiner formede krigsførelse og kan elektrificere fremtiden

Hvad forbinder fortidens legendarisk skarpe Damascene-sværd med fleksibel elektronik og fremtidens højtydende elektriske ledninger? De skylder alle deres bemærkelsesværdige egenskaber til forskellige strukturelle former for kulstof.

Historiens dødbringende sværd - 'Damascene' sablerne smedet i Mellemøsten fra det 13. til det 18. århundrede - var så skarpe, at de kunne skære gennem faldende silke, så legenden har det. Deres formodende kvaliteter menes at være kommet fra en kombination af specifikke urenheder i jernmalmen, og hvor varme og hvor længe de blev affyret - en proces, som nogle forskere mener kan have skabt uforvarende kulstofnanorør (CNT'er) i dem.

Disse tynde, hule rør er kun et enkelt kulstofatom i tykkelse. Ligesom deres kulstoffætter, grafen - hvor atomerne ligger fladt, i et todimensionelt ark – de er blandt de stærkeste, mest kendte lette og fleksible materialer.

"Spol fremad århundreder, "sagde dr. Stephan Hofmann fra Institut for Ingeniørvidenskab, "og vi indser nu, at der er en hel familie af disse ekstraordinære origami -former for kulstof ... og hvordan man laver dem." Faktisk, universitetet har over 25 års banebrydende erfaring inden for kulstofnanoteknologi, fra diamant til nanorør, og fra ledende polymerer til diamantlignende kulstof og grafen.

Hvad der gør carbon nanoformer som grafen og CNT så spændende er deres elektriske og termiske egenskaber. Deres potentielle anvendelse i applikationer som lettere elektriske ledninger, tyndere batterier, stærkere byggematerialer og fleksible enheder kan have en transformerende indvirkning på energien, transport- og sundhedsindustrien. Som resultat, investeringer på i alt millioner af pund understøtter nu forskning og udvikling inden for kulstofbaseret forskning på tværs af universitetet.

"Men alle de superlativer, der tilskrives materialerne, refererer til et individ, atomisk perfekt, nanorør eller grafenflage, " tilføjede Hofmann. "Den ofte afbildede elefant understøttet af et grafenark indbefatter de ofte ikke-realistiske forventninger. Udfordringen er fortsat at opnå høj kvalitet i stor skala og til lave omkostninger, og at interface og integrere materialerne i enheder."

Det er den type udfordringer, som forskere i Institut for Ingeniørvidenskab, Materialevidenskab og metallurgi, Fysik og kemi, og Cambridge Graphene Center har arbejdet på at overvinde.

Professor Alan Windle fra Institut for Materialevidenskab og Metallurgi, for eksempel, har brugt en kemisk dampaflejringsproces til at 'centrifugere' meget stærke og seje fibre, der udelukkende er fremstillet af CNT'er. Nanorørene danner røg i reaktoren, men fordi de er sammenfiltrede og elastiske, fibre kan vikles kontinuerligt ud af reaktoren som nano candy floss. Fibrernes garnlignende tekstur giver dem ekstraordinær sejhed og modstandsdygtighed over for skæring, gør dem lovende alternativer til kulfiber eller højtydende polymerfibre som Kevlar, samt til opbygning af skræddersyede fiberforstærkede polymerer, der bruges inden for rum- og sportsapplikationer.

Det er på den elektriske front, de møder deres største udfordring, som Windle forklarede:"Fremstillingsprocessen skaleres op gennem en Cambridge-spin-out, Q-Flo; imidlertid, elektrisk ledningsevne er den næste store udfordring for CNT-fibre i laboratoriet. At forstå og udvikle fiberen som erstatning for kobberledere vil være verdensændrende, med store fordele."

I 2013 Windles kollega Dr Krzysztof Koziol lykkedes at lave elektriske ledninger udelukkende lavet af CNT -fibre og udvikle en legering, der kan lodde kultråde til metal, gør det muligt at inkorporere CNT -ledninger i konventionelle kredsløb. Holdet laver nu ledninger, der spænder fra et par mikrometer til et par millimeter i diameter med en hastighed på op til 20 meter i minuttet – ingen lille bedrift, når man tænker på, at hver CNT er ti tusind gange smallere end et menneskehår.

Med støtte fra Royal Society og European Research Council (ERC), forskningen er rettet mod at bruge CNT'er til at erstatte kobber og aluminium i husholdnings elektriske ledninger, kraftoverførselsledninger og fly. CNT'er bærer mere strøm, mister mindre energi i varme og kræver ikke mineraludvinding fra jorden.

I øvrigt, de kan fremstilles af drivhusgasser; Koziols team arbejder sammen med spin-out-virksomheden FGV Cambridge Nanosystems for at blive verdens første virksomhed til at producere højkvalitets CNT'er og grafen direkte fra naturgas eller forurenet biogas. Virksomheden opererer allerede i industriel skala, med højrent grafen, der produceres med 1 kg i timen. "Målet er at producere materialer af høj kvalitet, der kan implementeres direkte i nye enheder, eller bruges til at forbedre andre materialer, som glas, metal eller polymerer, "
sagde Koziol.

Arbejde direkte med industrien vil være nøglen til at fremskynde overgangen fra laboratorium til fabrik for nye materialer. Hofmann leder en stor indsats for at udvikle fremstillings- og integreret procesteknologi til CNT'er, grafen og beslægtede nanomaterialer, med finansiering fra ERC og Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), og i samarbejde med et netværk af industrielle partnere.

"Feltet er på et meget spændende stadie, " han sagde, "nu, ikke kun kan vi 'se' og løse deres indviklede strukturer, men nye karakteriseringsteknikker giver os mulighed for at tage videoer i realtid af, hvordan de samles, atom for atom. Vi begynder at forstå, hvad der styrer deres vækst, og hvordan de opfører sig i industrielt relevante miljøer. Dette giver os mulighed for bedre at kontrollere deres egenskaber, justering, placering og grænseflader med andre materialer, hvilket er nøglen til at frigøre deres kommercielle potentiale. "

Til avancerede applikationer i elektronik- og fotonikindustrien, at opnå dette kontrolniveau er ikke bare ønskeligt, men en nødvendighed. Evnen til at producere kulstof kontrollerbart i dets mange strukturelle former udvider den 'materialeportefølje', som en moderne ingeniør har til rådighed. Med kulstoffilm eller -strukturer, der allerede findes i produkter som f.eks. harddiske, barberblade og litiumionbatterier, den industrielle brug af CNT'er bliver stadig mere udbredt, drevet, for eksempel, efterspørgslen efter nye teknologier såsom fleksible enheder og vores behov for at høste, konvertere og lagre energi mere effektivt.

Professor Andrea Ferrari, Direktør for Cambridge Graphene Center og ph.d. -uddannelsesprogram, som er blevet finansieret gennem et tilskud på £17 millioner fra EPSRC, forklarede:"Folk kan nu lave grafen i ton - det er ikke et problem. Udfordringen er at matche egenskaberne for den grafen, du producerer, med den endelige applikation. Vores faciliteter og udstyr er blevet udvalgt for at fremme tilpasning til industrien; vi har samarbejder med over 20 virksomheder, der deler vores dagsorden om at fremme virkelige applikationer, og mange flere diskuterer deres involvering i vores aktiviteter."

Cambridge har været banebrydende inden for grafenteknik og teknologi helt fra starten, og med flere spin-offs, er blevet et knudepunkt for grafenfremstilling og innovation. Cambridge Graphene Center har til formål at forbedre fremstillingsteknikker for grafen og relaterede materialer, samt udforske applikationer inden for områderne energilagring og høstudstyr, højfrekvent elektronik, fotonik, fleksibel og bærbar elektronik, og kompositter. Graphene er også fokus for stor europæisk finansiering-Graphene Flagship, en paneuropæisk 10-årig, 1 milliard euro videnskab og teknologi program blev lanceret i 2013. Ferrari var en af ​​de centrale efterforskere, der udarbejdede forslaget, har ledet udviklingen af ​​den videnskabelige og teknologiske køreplan for projektet, og er nu formand for Flagskibets direktion.

Nu, byggearbejdet er påbegyndt på en skræddersyet facilitet på 12,9 millioner pund, som vil være vært for Cambridge Graphene Centre, med ekstra plads til elektronik i store områder. Anlægget skal åbne i slutningen af ​​foråret 2015.

"Vi erkender, at der stadig er meget at gøre, før det tidlige løfte bliver til virkelighed, men der er store muligheder nu, "sagde Ferrari." Vi er ved begyndelsen af ​​en rejse. Vi kender ikke det endelige resultat, men potentialet i grafen og beslægtede materialer er sådan, at det giver god mening at gøre en stor indsats tidligt. "