211service.com
Supermocne włókna węglowe z nanorurek
Nanorurki węglowe formowane w długie włókna przypominające przędzę mogą przewyższać nawet najsilniejsze materiały kuloodporne na rynku, ale przekształcenie nanorurek w takie materiały okazało się wyzwaniem. Teraz naukowcy twierdzą, że udoskonalili metodę wytwarzania włókien: mogą szybciej wyciągać je z gorącego pieca, lepiej układać nanorurki i znacznie poprawiać ich wytrzymałość. Chociaż włókna z nanorurek węglowych można nadal wytwarzać tylko w małych partiach – i tylko w krótkich długościach, jak twierdzą eksperci – włókna te są bardzo obiecujące w przypadku ultramocnych, sprężystych materiałów, z możliwymi zastosowaniami od kamizelek kuloodpornych po odwierty naftowe.
Zamówienie nano: Naukowcy udoskonalili techniki przędzenia włókien z nanorurek węglowych: dopasowują nanorurki do włókna, tworząc włókna tak mocne lub mocniejsze niż materiały takie jak Kevlar, które są używane w kamizelkach kuloodpornych. Ponadto, włókna nanorurek, w przeciwieństwie do zwykłych lin, można wiązać bez znacznego osłabienia ich wytrzymałości.
Nanorurki węglowe to podobne do rur cząsteczki węgla o ściankach grubości zaledwie jednego atomu. Są niezwykle mocne, przewodzące prąd elektryczny i trudne do wykonania w niezawodny sposób. Wiele grup badawczych pracowało nad stworzeniem dłuższych nanorurek węglowych i wbudowaniem ich w dłuższe pasma, które można by wykorzystać do produkcji wytrzymałych tkanin, a nawet wydajnych linii energetycznych. (Patrz 10 Nowe technologie .)
Alan Windle, profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie Cambridge w Anglii, wyprodukował i przetestował nowe włókna nanorurek wraz z naukowcami z Natick Soldier Research Development Center w Massachusetts. Windle i jego koledzy pociągnęli za włókna nanorurek, odkrywając, że te słabsze pękały przy naprężeniu około jednego gigapaskala, co czyniło je porównywalnymi do stali, gram za gram.
Lepiej działające włókna węglowo-nanorurkowe pękały przy około sześciu gigapaskaliach, pokonując mocne strony, które producenci zgłaszają dla materiałów stosowanych w kamizelkach kuloodpornych, takich jak Kevlar. Włókna z nanorurek pasowały do najwyższych zgłoszonych wytrzymałości dla kilku najmocniejszych dostępnych na rynku włókien, Zylon i Dyneema, stosowanych również w kamizelkach kuloodpornych. Samotne, niezwykle mocne włókno nanorurek było poza wykresami, osiągając dziewięć gigapaskali naprężeń – znacznie więcej niż jakikolwiek inny zgłoszony materiał – przed pęknięciem. Wcześniejsze prace z nanorurek węglowych pozwoliły uzyskać włókna, które wytrzymują co najwyżej trzy gigapaskale.
Multimedialne
Zobacz, jak z nanorurek węglowych powstaje ultramocne włókno.
Jesteśmy zadowoleni z wyników, ale nie powiedziałbym, że jesteśmy zaskoczeni – mówi Windle. Wiadomo, że właściwości poszczególnych nanorurek są wciąż pięciokrotnie lepsze. Dodaje: To napawa mnie optymizmem. Wciąż jest wiele do zrobienia.
Aby wytworzyć włókna, naukowcy zastosowali metodę zapoczątkowaną przez grupę Windle w 2004 roku, w której piec odparowuje węgiel i wydmuchuje strumień nanorurek. Kiedy te nanorurki węglowe są wychwytywane w powietrzu i wirowane na szpuli, tworzą włókno złożone z miliardów cząsteczek ustawionych wzdłuż długości nanorurki.
Poprawiając temperaturę pieca i dostosowując szybkość nawijania włókna, naukowcy zoptymalizowali proces, czyniąc włókna 0,3 razy mocniejszymi niż te, które wyprodukowały inne grupy. Naukowcy donoszą, że poprawa wynika w dużej mierze z tego, że przy szybszym nawijaniu nanorurki lepiej się układają i ciaśniej łączą. Dodali również krok, aby włókna były gęstsze. Zespół przepuścił włókna przez aceton, który skondensował się na włóknach, tworząc ciecz. Windle mówi, że istnieje efekt napięcia powierzchniowego, który przyciąga nanorurki do siebie, co zwiększa ich wytrzymałość.
Mówi, że najbardziej bezpośrednie zastosowanie dotyczy kamizelek kuloodpornych. Wygląda obiecująco w porównaniu z dostępnymi na rynku włóknami. Ale czy będzie działać na kamizelkę kuloodporną, nikt tak naprawdę nie będzie wiedział, dopóki nie wytworzymy wystarczającej ilości włókien, aby zrobić materiał i wystrzelić w niego kulę, mówi Windle. Niedawne badanie modelowania komputerowego sugeruje, że pociski odbijałyby się od tkaniny z nanorurek węglowych o grubości zaledwie sześciu warstw.
Edwin Thomas, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na MIT, mówi, że jeśli testy wykazały, że taka tkanina naprawdę odpychała kule, to masz zatyczkę, która wkrótce pojawi się w kamizelce kuloodpornej. Ale materiały często nie radzą sobie dobrze, gdy są uderzane nagłymi siłami, w przeciwieństwie do wolniejszego szarpania, dodaje. Nikt nie wie o nanorurkach węglowych o wysokim naprężeniu, ponieważ nikt tego nie sprawdził.
Innym zastosowaniem może być wiercenie ropy. Ponieważ włókna węglowo-nanorurkowe są nie tylko mocne, ale także odporne na ciepło i korozję, można je stosować w wiertłach lub rurach, aby radzić sobie w tych ekstremalnych warunkach, mówi Thomas.
Thomas ostrzega jednak, że Windle i jego koledzy osiągnęli najlepsze wyniki dla włókien o długości około jednego milimetra, najwyraźniej dlatego, że im dłuższe pasmo, tym większe prawdopodobieństwo, że zawiera małe kawałki węgla i inne defekty, które je osłabiają. Poprawianie przetwarzania – szybkość nawijania i obróbka acetonem – nie zmieni cząstek węgla, mówi Thomas. Aby temu zaradzić, muszą wrócić do syntezy chemicznej.
Aby armia się tym zainteresowała, chcieliby mieć tego kilometry, mówi. Niemniej jednak nowe wyniki dają mu wiele nadziei.