Forskere opdager, at kaos gør kulstofmaterialer lettere og stærkere

I jagten på mere effektive køretøjer, ingeniører bruger hårdere og lavere densitet kulstofmaterialer, såsom kulfiber, som kan fremstilles bæredygtigt ved at "bage" naturligt forekommende bløde kulbrinter i fravær af ilt. Imidlertid, den optimale "bagning" temperatur for disse hærdet, kullignende kulstofmaterialer forblev et mysterium siden 1950'erne, da den britiske videnskabsmand Rosalind Franklin, hvem er måske bedre kendt for at levere kritiske beviser for DNA's dobbelte helixstruktur, opdagede, hvordan kulstofatomerne i sukker, kul, og lignende kulbrinter reagere på temperaturer, der nærmer sig 3, 000 grader Celsius (5, 432 grader Fahrenheit) i iltfri behandling. Forvirring om, hvorvidt uorden gør disse grafitlignende materialer stærkere, eller svagere, forhindret identifikation af den ideelle "bagning" temperatur i mere end 40 år.

Færre, mere kaotisk arrangerede kulstofatomer producerer materialer med højere styrke, MIT -forskere rapporterer i tidsskriftet Kulstof . De finder en håndgribelig forbindelse mellem den tilfældige rækkefølge af carbonatomer i en phenol-formaldehydharpiks, som blev "bagt" ved høje temperaturer, og styrken og densiteten af ​​det resulterende grafitlignende carbonmateriale. Phenol-formaldehydharpiks er et carbonhydrid, der almindeligvis er kendt som "SU-8" i elektronikindustrien. Derudover ved at sammenligne ydelsen af ​​det "bagte" kulstofmateriale, MIT -forskerne identificerede en "sweet spot" fremstillingstemperatur:1, 000 C (1, 832 F).

"Disse materialer, vi arbejder med, som almindeligvis findes i SU-8 og andre kulbrinter, der kan hærdes ved hjælp af ultraviolet [UV] lys, er virkelig lovende for at lave stærke og lette gitter af bjælker og stivere på nanoskalaen, som først for nylig blev mulig på grund af fremskridt inden for 3D-udskrivning, "siger MIT postdoc Itai Stein SM '13, Ph.d. '16. "Men indtil nu, ingen vidste rigtigt, hvad der sker, når du ændrer fremstillingstemperaturen, det er, hvordan strukturen påvirker ejendommene. Der var meget arbejde med struktur og meget arbejde med ejendomme, men der var ingen forbindelse mellem de to. ... Vi håber, at vores undersøgelse vil hjælpe med at kaste lys over de styrende fysiske mekanismer, der spiller. "

Stein, hvem er hovedforfatter til papiret, der blev offentliggjort i Kulstof , ledet et team under professor i luftfart og astronautik Brian L. Wardle, bestående af MIT junior Chlöe V. Sackier, alumner Mackenzie E. Devoe '15 og Hanna M. Vincent '14, og bachelorstuderende Summer Scholars Alexander J. Constable og Naomi Morales-Medina.

"Vores undersøgelser af dette kulstofmateriale som en matrix for nanokompositter blev ved med at føre til flere spørgsmål, der gjorde dette emne stadig mere interessant i sig selv. Gennem en række bidrag, især fra MIT -bachelorforskere og Summer Scholars, resulterede en vedvarende undersøgelse i flere år, giver mulighed for at løse nogle paradoksale resultater i den eksisterende litteratur, "Siger Wardle.

Ved at "bage" harpiksen ved høj temperatur i inaktiv gas, en proces, der almindeligvis kaldes pyrolyse, forskerne dannede en type uordnet grafitlignende kulstofmateriale, der ofte kaldes glasagtigt kulstof. Stein og Wardle viste, at når det behandles ved temperaturer højere end 1, 000 C, materialet bliver mere ordnet, men svagere. De vurderede styrken af ​​deres glasagtige kulstof ved at anvende en lokal kraft og måle deres materiales evne til at modstå deformation. Denne type måling, som er kendt af ingeniører som Vickers hårdhedstesten, er en meget alsidig teknik, der kan bruges til at studere en lang række materialer, såsom metaller, briller, og plast, og gjorde det muligt for forskerne at sammenligne deres fund med mange velkendte ingeniørmaterialer, der inkluderer diamant, kulfiberkompositter, og metalcarbider.

Kulstofatomerne i MIT -forskernes materiale var mere kaotisk organiseret end det er typisk for grafit, og det var fordi phenol-formaldehyd, som de startede med, er en kompliceret blanding af kulstofrige forbindelser. "Fordi kulbrinte var uorden til at begynde med, meget af lidelsen forbliver i dine krystallitter, i hvert fald ved denne temperatur, "Forklarer Stein. Faktisk tilstedeværelsen af ​​mere komplekse kulstofforbindelser i materialet styrker det ved at føre til tredimensionelle forbindelser, der er svære at bryde. "Grundlæggende bliver du fastgjort til den krystallitiske grænseflade, og det fører til forbedret ydeevne, " han siger.

Disse bagt materialer med høj temperatur har kun et carbonatom i deres struktur for hver tre i en diamantstruktur. "Når du bruger disse materialer til at fremstille nanolikre, du kan gøre det samlede gitter endnu mindre tæt. Fremtidige undersøgelser skal kunne vise, hvordan man laver lettere og billigere materialer, "Foreslår Stein. Kulbrinter svarende til det phenol-formaldehyd, der er undersøgt her, kan også hentes på en miljøvenlig måde, han siger.

"Indtil nu var der ikke rigtig enighed om, hvorvidt det var godt eller dårligt at have en lav densitet, og vi viser i dette værk, at det faktisk er godt at have en lav densitet, "Siger Stein. Det er fordi lav densitet i disse krystallitter betyder flere molekylære forbindelser i tre dimensioner, som hjælper materialet med at modstå klipning, eller glider fra hinanden. På grund af dens lave densitet, dette materiale sammenligner sig positivt med diamant- og bornitrider til rumfartsbrug. "Grundlæggende, du kan bruge meget mere af dette materiale og stadig ende med at spare vægt generelt, "Siger Stein.

"Denne undersøgelse repræsenterer videnskabelig lydmateriale - der forbinder alle tre facetter af syntese, struktur, og ejendom - mod at belyse dårligt forståede skaleringslove for mekanisk ydelse af pyrolytisk kulstof, "siger Eric Meshot, en personaleforsker ved Lawrence Livermore National Laboratory, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Det er bemærkelsesværdigt, at ved at anvende rutinemæssigt tilgængelige karakteriseringsværktøjer, forskerne samlede både de molekylære og nanoskala strukturelle billeder sammen og dekrypterede dette kontraintuitive resultat, at mere grafitisering ikke nødvendigvis er lig med et hårdere materiale. Det er et spændende koncept i sig selv, at en lille strukturel lidelse kan øge hårdheden. "

"Deres strukturelle karakterisering beviser, hvordan og hvorfor de opnår høj hårdhed ved relativt lave syntesetemperaturer, "Tilføjer Meshot." Dette kan have betydning for industrier, der søger at opskalere produktionen af ​​disse typer materialer, da opvarmning er et alvorligt dyrt trin. "Undersøgelsen peger også på nye retninger til fremstilling af kompositstrukturer med lav densitet med virkelig transformerende egenskaber, foreslår han. "For eksempel, ved at inkorporere den startende SU-8 harpiks i, på, eller omkring andre strukturer (såsom nanorør som forfatterne foreslår), kan vi syntetisere materialer, der er endnu hårdere eller mere modstandsdygtige over for ren og skær? Eller kompositter, der muligvis integrerer yderligere funktionalitet, såsom at føle? "spørger Meshot.

Den nye forskning har særlig relevans nu, fordi en gruppe tyske forskere sidste år viste i et Nature Materials -papir, hvordan disse materialer kan danne stærkt strukturerede nanolatter, der er stærke, let, og er kun bedre end diamant. Disse forskere behandlede deres materiale ved 900 C, Stein noterer. "Du kan gøre meget mere optimering, at vide, hvad skaleringen er af de mekaniske egenskaber med strukturen, så kan du gå videre og justere strukturen i overensstemmelse hermed, og det er her, vi mener, at der er bred implikation for vores arbejde i denne undersøgelse, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.