Carbon er det nye sort

Ingeniører fra University of Cincinnati udnytter et partnerskab med Wright-Patterson Air Force Base for at skabe tøj, der kan oplade din mobiltelefon.

Flyt dig, Jernmand.

Det, der gør dette muligt, er de unikke egenskaber ved kulstofnanorør:et stort overfladeareal, der er stærkt, ledende og varmebestandig.

UC's College of Engineering and Applied Science har en femårig aftale med Air Force Research Laboratory om at udføre forskning, der kan forbedre militærteknologiske anvendelser.

UC-professor Vesselin Shanov leder UC's Nanoworld Laboratories sammen med forskningspartner og UC-professor Mark Schulz. Sammen, de udnytter deres ekspertise inden for elektrisk, kemisk og mekanisk teknik til at fremstille "smarte" materialer, der kan drive elektronik.

"Den store udfordring er at oversætte disse smukke egenskaber for at udnytte deres styrke, ledningsevne og varmemodstand, " sagde Shanov.

Schulz sagde, at fremstillingen er på spidsen af ​​en kulstofrenæssance. Carbon nanorør vil erstatte kobbertråd i biler og fly for at reducere vægten og forbedre brændstofeffektiviteten. Kulstof vil filtrere vores vand og fortælle os mere om vores liv og kroppe gennem nye biometriske sensorer.

Kulstof vil erstatte polyester og andre syntetiske fibre. Og da kulstof nanorør er de sorteste genstande fundet på Jorden, absorberer 99,9 procent af alt synligt lys, du kan sige, kulstof er det nye sort.

"I fortiden, metaller dominerede fremstilling af varer, " sagde Schulz. "Men jeg tror, ​​kulstof kommer til at erstatte metaller i mange applikationer.

"Der kommer en ny kulstof-æra - en kulstofrevolution, " sagde Schulz.

UC's Nanoworld Lab leder det samlede arbejde af 30 kandidat- og bachelorstuderende.

En af dem, UC-forsker Sathya Narayan Kanakaraj, medforfatter til en undersøgelse, der undersøger måder at forbedre trækstyrken af ​​tør-spundet carbon nanorørfiber. Hans resultater blev offentliggjort i juni i tidsskriftet Materialeforskningssucces .

Kandidatstuderende Mark Haase, brugt det sidste år på at udforske applikationer til kulstof nanorør på Air Force Research Lab i Wright-Patterson. Gennem partnerskabet, UC-studerende bruger Air Force Labs sofistikerede udstyr, inklusive røntgencomputertomografi, at analysere prøver. Haase har også brugt flyvevåbnets udstyr til at hjælpe sine klassekammerater med deres projekter.

"Dette presser os til at arbejde i grupper og til at specialisere os. Det er den samme dynamik, som vi ser i virksomhedernes forskning og industri, " sagde Haase. "Engineering er en gruppeaktivitet i disse dage, så det kan vi drage fordel af."

UC-forskere "dyrker" nanorør på kvartstore siliciumwafers under varme i et vakuumkammer gennem en proces kaldet kemisk dampaflejring.

"Hver partikel har et kernedannelsespunkt. I daglig tale, vi kan kalde det et frø, " sagde Haase.

"Vores kulstofholdige gas indføres i reaktoren. Når kulgassen interagerer med vores "frø, ' det nedbrydes og dannes igen på overfladen. Vi lader den vokse, indtil den når den størrelse, vi ønsker, " han sagde.

Forskere kan bruge næsten ethvert kulstof, fra alkohol til metan.

"Jeg kan huske, at en gruppe viste sig ved at bruge spejderkager. Hvis den indeholder kulstof, du kan gøre det til et nanorør, " sagde Haase.

UC's Nanoworld Lab satte verdensrekord i 2007 ved at dyrke et nanorør, der strakte sig næsten 2 centimeter, det længste kulstof nanorør-array produceret i et laboratorium på det tidspunkt. Nutidens laboratorier kan skabe nanorør, der er mange gange længere.

UC-forskere strækker den lille fibrøse firkant over en industriel spole i laboratoriet. Pludselig, dette lille stykke kulstof bliver til en spundet tråd, der ligner edderkoppesilke, der kan væves ind i tekstiler.

"Det er præcis som et tekstil, "Shanov sagde. "Vi kan samle dem som en maskingevind og bruge dem i applikationer lige fra sensorer til at spore tungmetaller i vand eller energilagringsenheder, inklusive super kondensatorer og batterier."

For militæret, dette kan betyde udskiftning af tunge batterier, der oplader det voksende antal elektronik, der udgør en soldats belastning:lys, nattesyn og kommunikationsudstyr.

"Så meget som en tredjedel af den vægt, de bærer, er bare batterier til at drive alt deres udstyr, " sagde Haase. "Så selvom vi kan barbere lidt af det, det er en stor fordel for dem i feltet."

Medicinske forskere undersøger, hvordan kulstof nanorør kan hjælpe med at levere målrettede doser af medicin.

"På ydersiden, du kan tilføje et proteinmolekyle. Celler vil læse det og sige, "Det vil jeg gerne spise." Så vi kan levere medicin til at støtte sunde celler, at genoprette syge celler eller endda at dræbe kræftceller, " sagde Haase.

Men først vil forskere sikre sig, at kulstofnanorør er ugiftige.

"Det er derfor, de har bevæget sig langsomt, " sagde Haase. "Forskning har fundet ud af, at ved høj eller akut eksponering, kulstof nanorør kan forårsage lungeskader svarende til asbest. Den sidste ting, vi ønsker at gøre, er at helbrede én kræftsygdom kun for at finde ud af, at den giver dig en anden."

De foreløbige resultater har været lovende.

Led ikke efter carbon nanorør-mode på parisiske catwalks når som helst snart. Omkostningerne er for uoverkommelige.

"Vi arbejder med kunder, der bekymrer sig mere om ydeevne end omkostninger. Men når først vi perfektionerer syntese, skalaen stiger betydeligt, og omkostningerne bør falde tilsvarende, " sagde Haase. "Så vil vi se kulstofnanorør spredes til mange, mange flere applikationer."

For nu, UC's laboratorium kan producere omkring 50 yards kulstof nanorørtråd ad gangen til sin forskning.

"De fleste store tekstilmaskiner har brug for miles af tråd, " sagde Haase. "Vi kommer derhen."

Indtil da, masseproduktion er fortsat et af de større uløste problemer for kulstof nanorørteknologi, sagde Benji Maruyama, der leder Materiale- og Fremstillingsdirektoratet ved Air Force Research Laboratory. "Der er stadig meget arbejde, der skal gøres for at opskalere processen. At trække en kulstof nanorørfiber af en siliciumskive er godt for forskning i laboratorieskala, men ikke til at lave en flyvinge eller flyverdragt, " sagde Maruyama.

"Det eneste, der holder os tilbage, er at knække koden til at lave kulstofnanorør i skala, " han sagde.

Maruyama forsøger at løse det problem med en række eksperimenter, han udfører ved hjælp af en autonom forskningsrobot kaldet ARES. Robotten designer og udfører eksperimenter med kulstof nanorør, analyserer resultaterne og bruger derefter disse data og kunstig intelligens til at omdefinere parametre for det næste eksperiment. På denne måde den kan udføre 100 gange så mange eksperimenter på samme tid som menneskelige forskere, han sagde.

"Den store fordel ved kulstofnanorør er, at der ikke er mangel på materialer. Det kræver bare en metalkatalysator - vi bruger jern og nikkel - og kulstof. Det er ikke sparsomt, " sagde Maruyama. "Så når vi taler om at lave millioner af tons om året af kulstof nanorør, vi laver ikke millioner af tons af noget sjældent."

Det ultimative mål er at omsætte UC's akademiske forskning til løsninger på reelle problemer, sagde Shanov.

"Vi har den luksus i den akademiske verden at udforske forskellige applikationer, " sagde Shanov. "Det er ikke sikkert, at alle ser markedet. Men selvom 10 procent rammer, det ville være en stor succes."