Forskerhold udvikler nyt kompositmateriale lavet af kulstof nanorør

Carbon nanorør er ekstremt lette, elektrisk stærkt ledende, og mere stabil end stål. På grund af deres unikke egenskaber, de er ideelle til mange applikationer, inklusive ultralette batterier, højtydende plastik og medicinske implantater. Imidlertid, til dato, det har været svært for videnskaben og industrien at overføre de ekstraordinære egenskaber på nanoskala til funktionelle industrielle applikationer. Kulstofnanorørene kan heller ikke kombineres tilstrækkeligt med andre materialer, eller de mister deres gavnlige egenskaber, når de er kombineret. Forskere fra arbejdsgruppen Functional Nanomaterials ved Kiel University (CAU) og University of Trento har nu udviklet en alternativ metode, hvormed de bittesmå rør kan kombineres med andre materialer, så de bevarer deres karakteristiske egenskaber. Forskningsresultaterne er nu offentliggjort i Naturkommunikation .

"Selvom kulstof nanorør er fleksible ligesom fibertråde, de er også meget følsomme over for ændringer, " forklarede professor Rainer Adelung, leder af arbejdsgruppen Functional Nanomaterials på CAU. "Med tidligere forsøg på at forbinde dem kemisk med andre materialer, deres molekylære struktur ændrede sig også. Det her, imidlertid, fik deres egenskaber til at forringes - for det meste drastisk."

I modsætning, tilgangen fra forskerholdet fra Kiel og Trento er baseret på en simpel våd kemisk infiltrationsproces. CNT'erne blandes med vand og dryppes ned i et ekstremt porøst keramisk materiale lavet af zinkoxid, som absorberer væsken som en svamp. De dryppede trådlignende CNT'er sætter sig fast på det keramiske stillads, og danner automatisk et stabilt lag sammen. Det keramiske stillads er belagt med nanorør. Dette har fascinerende effekter, både til stilladset samt til belægning af nanorør.

På den ene side, stabiliteten af ​​det keramiske stillads øges så massivt, at det kan bære 100, 000 gange sin egen vægt. "Med CNT-belægningen, det keramiske materiale kan holde omkring 7,5 kg, og uden den kun 50 g - som om vi havde udstyret den med en tætsiddende pullover lavet af carbon nanorør, som yder mekanisk støtte, " sagde førsteforfatter Fabian Schütt. "Trykket på materialet absorberes af CNT-filtens trækstyrke. Trykkræfter omdannes til trækkræfter."

Princippet kan sammenlignes med bambusbygninger, der er udbredt i Asien. Bambusstængler er bundet så tæt med et simpelt reb, at det lette materiale kan danne ekstremt stabile stilladser, og endda hele bygninger. "Vi gør det samme på nanoskalaen med CNT-trådene, som vikler sig rundt om det keramiske materiale - kun meget, meget mindre, sagde Helge Krüger, medforfatter til publikationen.

Materialeforskerne var i stand til at demonstrere en anden stor fordel ved deres proces. I et andet trin, de opløste det keramiske stillads ved at bruge en kemisk ætsningsproces. Tilbage er blot et fint 3-D netværk af rør, som hver består af et lag af bittesmå CNT-rør. På denne måde forskerne var i stand til at øge overfladen markant, og dermed skabe flere muligheder for reaktioner. "Vi pakker stort set overfladen af ​​en hel beachvolleybane i en terning på én centimeter, " forklarede Schütt. De enorme hulrum inde i den tredimensionelle struktur kan så fyldes med en polymer. Som sådan, CNT'er kan forbindes mekanisk med plast, uden at ændre deres molekylære struktur og dermed deres egenskaber. "Vi kan specifikt arrangere CNT'erne og fremstille et elektrisk ledende kompositmateriale. For at gøre det kræver det kun en brøkdel af den sædvanlige mængde CNT'er, for at opnå samme ledningsevne, sagde Schütt.

Anvendelser omfatter batteri- og filterteknologi som fyldmateriale til ledende plast, implantater til regenerativ medicin, og sensorer og elektroniske komponenter på nanoskala. Den høje elektriske ledningsevne af det rivefaste materiale kunne også være interessant for fleksible elektronikapplikationer, i funktionstøj eller inden for medicinsk teknologi, for eksempel. "At skabe en plastik, som for eksempel, stimulerer knogle- eller hjerteceller til at vokse er tænkeligt, " sagde Adelung. På grund af sin enkelhed, forskerne er enige om, at processen også kan overføres til netværksstrukturer lavet af andre nanomaterialer - hvilket vil udvide rækken af ​​mulige anvendelser yderligere.