Materiale i nanoskala tilbyder en ny måde at kontrollere ild på

Højtemperaturflammer bruges til at skabe en bred vifte af materialer - men når først du starter en brand, kan det være svært at kontrollere, hvordan flammen interagerer med det materiale, du forsøger at behandle. Forskere har nu udviklet en teknik, der bruger et molekylet tyndt beskyttende lag til at kontrollere, hvordan flammens varme interagerer med materialet – tæmmer ilden og giver brugerne mulighed for at finjustere det behandlede materiales egenskaber.

"Ild er et værdifuldt ingeniørværktøj - en højovn er trods alt kun en intens brand," siger Martin Thuo, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og professor i materialevidenskab og teknik ved North Carolina State University. "Men når først du starter en brand, har du ofte ringe kontrol over, hvordan den opfører sig."

"Vores teknik, som vi kalder invers termisk nedbrydning (ITD), anvender en tynd film på nanoskala over et målrettet materiale. Den tynde film ændrer sig som reaktion på ildens varme og regulerer mængden af ​​ilt, der kan få adgang til materialet. Det betyder, at vi kan kontrollere hastigheden, hvormed materialet opvarmes - hvilket igen påvirker de kemiske reaktioner, der finder sted i materialet. Grundlæggende kan vi finjustere, hvordan og hvor ilden ændrer materialet."

Sådan fungerer ITD. Du starter med dit målmateriale, såsom en cellulosefiber. Den fiber er derefter belagt med et nanometer tykt lag af molekyler. De coatede fibre udsættes derefter for en intens flamme. Den ydre overflade af molekylerne forbrændes let, hvilket hæver temperaturen i umiddelbar nærhed.

Men den indre overflade af den molekylære belægning ændrer sig kemisk, hvilket skaber et endnu tyndere lag glas omkring cellulosefibrene. Dette glas begrænser mængden af ​​ilt, der kan få adgang til fibrene, og forhindrer cellulosen i at bryde i flammer. I stedet ulmer fibrene - brænder langsomt indefra og ud.

"Uden ITD's beskyttende lag ville påføring af flamme på cellulosefibre bare resultere i aske," siger Thuo. "Med ITD'ens beskyttende lag ender du med kulstofrør."

"Vi kan konstruere det beskyttende lag for at justere mængden af ​​oxygen, der når målmaterialet. Og vi kan konstruere målmaterialet for at producere ønskelige egenskaber."

Forskerne udførte proof-of-concept-demonstrationer med cellulosefibre for at fremstille kulstofrør i mikroskala.

Forskerne kunne kontrollere tykkelsen af ​​kulstofrørets vægge ved at kontrollere størrelsen af ​​de cellulosefibre, de startede med; ved at indføre forskellige salte til fibrene (som yderligere styrer forbrændingshastigheden); og ved at variere mængden af ​​oxygen, der passerer gennem det beskyttende lag.

"Vi har allerede flere ansøgninger i tankerne, som vi vil behandle i fremtidige undersøgelser," siger Thuo. "Vi er også åbne for at arbejde med den private sektor for at udforske forskellige praktiske anvendelser, såsom at udvikle konstruerede kulstofrør til olie-vand-separation - hvilket ville være nyttigt til både industrielle anvendelser og miljøsanering."

Værket er publiceret i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Flere oplysninger: Chuanshen Du et al., Spatial Directed Pyrolysis via Thermally Morphing Surface Adducts, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308822

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af North Carolina State University