211service.com
Kompozyt grafenowo-polimerowy
Rozprowadzając niewielką ilość grafenu, jednowarstwowego płaskiego arkusza atomów węgla, w polimerach, naukowcy stworzyli wytrzymałe i lekkie materiały. Kompozyty przewodzą prąd i mogą wytrzymać znacznie wyższe temperatury niż same polimery.
Mały, ale twardy: Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego pokazują setki nanometrowych arkuszy grafenu, które są osadzone w polimerze, aby uczynić go twardszym, sztywniejszym, bardziej odpornym na ciepło i przewodzącym prąd elektryczny.
Do polimerów można dodać nanorurki węglowe, aby uzyskać materiały o podobnych właściwościach. Ale grafen może być znacznie tańszy. Można kupić [grafit] w workach za dolary za funt, podczas gdy jednościenne nanorurki kosztują setki dolarów za gram, mówi Katarzyna Brinson , profesor inżynierii mechanicznej na Northwestern University, który kierował pracą, która została opublikowana online w: Natura Nanotechnologia .
Grafen może również budzić mniejsze obawy związane z toksycznością niż nanorurki węglowe. Oddzielny Natura Nanotechnologia Badanie wykazało, że długie nanorurki węglowe wywołują u myszy takie same reakcje toksyczne jak azbest. Obawy polega na tym, że nanorurki węglowe mogą naśladować włókna azbestu, które są wystarczająco cienkie, aby przenikać do płuc i powodować raka. Z drugiej strony, grafen ma grubość tylko nanometra, mówi Lawrence Drzal , dyrektor Centrum Materiałów i Konstrukcji Kompozytowych na Michigan State University. Są stosunkowo duże w dwóch innych wymiarach. Nie będą w stanie przejść przez bariery krew-mózg ani do komórek.
Kompozyty grafenowo-polimerowe byłyby idealne do produkcji lekkich zbiorników na benzynę i plastikowych pojemników, które utrzymują świeżość żywności przez tygodnie. Mogą być również wykorzystywane do produkcji lżejszych, bardziej oszczędnych części samolotów i samochodów, a także silniejszych turbin wiatrowych, implantów medycznych i sprzętu sportowego. Co więcej, są dobrymi przewodnikami elektrycznymi i mogą być używane do wytwarzania przezroczystych powłok przewodzących dla ogniw słonecznych i wyświetlaczy.
Postęp jest częścią szerszych wysiłków badawczych mających na celu stworzenie polimerów osadzonych w nanocząstkach. Włókna węglowe i szklane były tradycyjnie używane do wzmacniania polimerów – włókno szklane jest częstym przykładem. Jednak w przeciwieństwie do włókien, bardzo mała ilość nanocząsteczek – mniej niż 2 procent objętości kompozytu – wystarczy, aby polimer był mocniejszy i odporny na ciepło. Ponieważ stosuje się mniej wypełniacza, kompozyt może zachować rozciągliwość lub przezroczystość polimeru.
Nanocząstki gliny i nanorurki węglowe są silnymi pretendentami do zastosowania w kompozytach polimerowych. Toyota produkuje niektóre części silnika z kompozytów glinowo-nylonowych, które są mocniejsze i wytrzymują znacznie wyższe temperatury niż puszka nylonowa. Polimery zawierające nanorurki węglowe są używane do produkcji kijów bejsbolowych i kijów golfowych, a także mogą być stosowane w częściach samochodowych, takich jak uchwyty i błotniki – części, które łatwiej malować elektrostatycznie, jeśli przewodzą prąd. Jednak wysokie koszty produkcji nanorurek węglowych ograniczyły ich zastosowanie.
Grafen mógłby być tańszą alternatywą. Kluczowym przełomem potrzebnym do stworzenia hybrydy grafen-polimer było posiadanie odpowiedniego rodzaju arkuszy grafenowych. Naukowcy potrzebowali jednej lub dwóch warstw grafenu z kilkoma grupami hydroksylowymi lub atomami tlenu zwisającymi na powierzchni: pomagają one grafenowi łączyć się z polimerem i równomiernie rozpraszać. Naukowcy z Princeton University, którzy są współautorami artykułu, opracowali sposób na odizolowanie takich arkuszy grafenowych od tlenku grafitu poprzez szybkie rozprężanie materiału w wysokich temperaturach.
Brinson i jej koledzy z Northwestern znaleźli sposób na równomierne rozprowadzenie grafenu w polimerze. Dyspergują grafen w jednym rozpuszczalniku i rozpuszczają polimer w innym. Następnie mieszają te dwa, aż grafen zostanie równomiernie rozprowadzony w polimerze i odparują rozpuszczalniki.
Przy wszystkich zademonstrowanych przez nas właściwościach arkusze grafenowe działają tak samo lub lepiej niż nanorurki, mówi Brinson. Używając tego samego polimeru, naukowcy wykonali dwa kompozyty, jeden zawierający 1% wagowy nanorurek węglowych, a drugi zawierający taką samą ilość grafenu. Dodanie grafenu do polimeru sprawiło, że był on o 80% sztywniejszy, podczas gdy nanorurki węglowe sprawiły, że był sztywniejszy o nieco ponad 50%. Kompozyt grafenowy wytrzymywał o 30 °C wyższe temperatury w porównaniu z samym polimerem, natomiast nanorurki węglowe nie zwiększały stabilności temperaturowej.
Materiał Northwestern mierzy się z trudnym konkurentem. W oparciu o technologię opracowaną przez Drzal z Michigan State University, firma z East Lansing w stanie Michigan o nazwie X G Nauki buduje pilotażową fabrykę do produkcji różnych popularnych polimerów zawierających płytki grafenowe. Płytki zawierają stosy około pięciu warstw grafenu, w przeciwieństwie do pojedynczego arkusza. Drzal, główny naukowiec firmy, mówi, że stosy nie będą się zgniatać ani zwijać podczas procesów przetwarzania stosowanych do produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych. To tak, jakbyś miał jeden papier zamiast 10 arkuszy papieru… Stos jest znacznie sztywniejszy i bardziej wytrzymały. Są też tańsze w produkcji, mówi. Im bardziej zbliżasz się do pojedynczego arkusza, tym droższy proces.
Jednym z obiecujących zastosowań kompozytów grafenowych będzie produkcja zbiorników na paliwo i opakowań do żywności. Cząsteczki gazu i cieczy mogą przenikać przez zwykłe polimery, mówi Rodney Ruoff z University of Texas w Austin, który był zaangażowany w prace. Ale kompozyty grafenowe mogą tworzyć nieprzepuszczalną barierę. Oznacza to, że wykładziny zbiorników paliwa będą zatrzymywać opary i rozpraszać elektryczność statyczną. Możesz trzymać kanapki poza lodówką przez sześć miesięcy bez przedostawania się tlenu i utleniania [ich], sugeruje Ruoff.