Team lægger vægt på højtydende carbon nanorørfibre til industrien

Carbon nanorørfibre fremstillet ved Rice University er nu stærkere end Kevlar og er på vej op på ledningsevnen af ​​kobber.

Rislaboratoriet af kemisk og biomolekylær ingeniør Matteo Pasquali rapporterede i Kulstof den har udviklet sine stærkeste og mest ledende fibre til dato, lavet af lange kulstofnanorør gennem en vådspinningsproces.

I den nye undersøgelse ledet af Rice-studerende Lauren Taylor og Oliver Dewey, forskerne bemærkede, at vådspundne carbon nanorørfibre, som kan føre til gennembrud inden for en lang række medicinske og materialeanvendelser, er fordoblet i styrke og ledningsevne hvert tredje år, en trend, der strækker sig over næsten to årtier.

Selvom det måske aldrig efterligner Moores lov, som satte et benchmark for udvikling af computerchips i årtier, Pasquali og hans team gør deres del for at fremme den metode, de var banebrydende for at fremstille kulstof nanorørfibre.

Laboratoriets trådagtige fibre, med titusinder af nanorør i tværsnit, bliver undersøgt til brug som broer til at reparere beskadigede hjerter, som elektriske grænseflader med hjernen, til brug i cochleaimplantater, som fleksible antenner og til bil- og rumfartsapplikationer.

De er også en del af Carbon Hub, et multiuniversitetsforskningsinitiativ lanceret i 2019 af Rice med støtte fra Shell, Prysmian og Mitsubishi for at skabe en nul-emission fremtid.

"Carbon nanorørfibre har længe været udråbt for deres potentielle overlegne egenskaber, " sagde Pasquali. "To årtiers forskning på Rice og andre steder har gjort dette potentiale til en realitet. Nu har vi brug for en verdensomspændende indsats for at øge produktionseffektiviteten, så disse materialer kan fremstilles med ingen kuldioxidemissioner og potentielt med samtidig produktion af rent brint."

"Målet med dette papir er at fremlægge rekordegenskaberne for de fibre, der produceres i vores laboratorium, " sagde Taylor. "Disse forbedringer betyder, at vi nu overgår Kevlar med hensyn til styrke, hvilket for os er en rigtig stor præstation. Med blot endnu en fordobling, vi ville overgå de stærkeste fibre på markedet."

De fleksible risfibre har en trækstyrke på 4,2 gigapascal (GPa), sammenlignet med 3,6 GPa for Kevlar-fibre. Fibrene kræver lange nanorør med høj krystallinitet; det er, regelmæssige arrays af carbon-atom ringe med få defekter. Den sure opløsning, der bruges i risprocessen, hjælper også med at reducere urenheder, der kan forstyrre fiberstyrken, og forbedrer nanorørets metalliske egenskaber gennem resterende doping, sagde Dewey.

"Længden, eller billedformat, af nanorørene er den definerende egenskab, der driver egenskaberne i vores fibre, " han sagde, at bemærke overfladearealet af de 12 mikrometer nanorør, der bruges i risfibre, letter bedre van der Waals-bindinger. "Det hjælper også, at de samarbejdspartnere, der dyrker vores nanorør, optimerer til opløsningsbehandling ved at kontrollere antallet af metalliske urenheder fra katalysatoren og det, vi kalder amorfe kulstofurenheder."

Forskerne sagde, at fibrenes ledningsevne er forbedret til 10,9 megasiemens (millioner siemens) per meter. "Dette er første gang en carbon nanorørfiber har passeret tærsklen på 10 megasiemens, så vi har opnået en ny størrelsesorden for nanorørfibre, " sagde Dewey. Normaliseret for vægt, han sagde, at risfibrene opnår omkring 80% af kobbers ledningsevne.

"Men vi overgår platintråd, hvilket er en stor bedrift for os, " Taylor sagde, "og fiberens varmeledningsevne er bedre end noget metal og alle syntetiske fibre, undtagen beg-grafitfibre."

Laboratoriets mål er at gøre produktionen af ​​overlegne fibre effektiv og billig nok til at blive indarbejdet af industrien i stor skala, sagde Dewey. Opløsningsbearbejdning er almindelig i produktionen af ​​andre slags fibre, inklusive Kevlar, så fabrikker kunne bruge velkendte processer uden større omstilling.

"Fordelen ved vores metode er, at det i bund og grund er plug-and-play, " sagde han. "Det er i sagens natur skalerbart og passer ind i den måde, syntetiske fibre allerede fremstilles på."

"Der er en forestilling om, at kulstof nanorør aldrig vil være i stand til at opnå alle de egenskaber, som folk har hypet nu i årtier, " sagde Taylor. "Men vi opnår gode gevinster år for år. Det er ikke nemt, men vi tror stadig på, at denne teknologi vil ændre verden."

Medforfattere til papiret er Rice-alumnen Robert Headrick; kandidatstuderende Natsumi Komatsu og Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, en adjunkt i maskinteknik; og Junichiro Kono, Karl F. Hasselmann professor i ingeniørvidenskab og professor i elektro- og computerteknik, af fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoteknik. Pasquali er A.J. Hartsook professor i kemisk og biomolekylær teknik, af kemi og af materialevidenskab og nanoteknik.