Włókna nanorurek

W laboratorium Rice University czarne włókno o średnicy ludzkiego włosa nawija się w zlewkę z eterem. Składająca się z czystych nanorurek nić jest zwieńczeniem prawie dekady eksperymentów. Inżynier chemik Matteo Pasquali i jego koledzy utworzyli z nanorurek włókna o długości kilkuset metrów, udowadniając, że można opracować przydatne komercyjnie techniki produkcyjne do wytwarzania materiałów w makroskali z tych cylindrycznych cząsteczek czystego węgla.

Inżynier chemik Matteo Pasquali, który w swoim laboratorium na Rice University w Houston przekształca nanorurki węglowe we włókna.

Przerabianie nanorurek węglowych na włókna było szczególnym marzeniem nieżyjącego już profesora Rice Richarda Smalleya, który w 1996 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie sferycznych cząsteczek węgla zwanych buckyballami. Poszczególne nanorurki mają niezwykłe właściwości: są lekkie, wytrzymałe i mogą przewodzić prąd. Ale łączenie ich w duże konstrukcje o tych właściwościach było trudne.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W 2001 r. Smalley zaczął próbować wykorzystywać przetwarzanie cieczy do przędzenia nanorurek węglowych we włókna, które zachowywały właściwości elektryczne i mechaniczne rur na długości kilku kilometrów – pomysł, który, jak przyznał, był naprawdę szalony i ekstremalny. (patrz Wires of Wonder, marzec 2001) . Takie włókna byłyby mocniejsze niż stal i bardziej przewodzące niż miedź. Smalley wyobraził sobie, jak są utkane w kable, które mogą skutecznie przenosić energię elektryczną z odległych farm wiatrowych i słonecznych do zaludnionych obszarów – bez utraty energii na rzecz ciepła. Pasquali, który był częścią projektu od samego początku i przejął go po śmierci Smalleya w 2005 roku, przyznaje, że zaczynał jako sceptyk. Myślałem, że to kompletne szaleństwo, ponieważ nanorurki węglowe nie są rozpuszczalne w płynie – a ja jestem płynnym facetem, mówi.

Inni badacze stworzyli włókna w skali makro z suchych nanorurek, wyciągając je z pionowych szyków lub wirując jak wełna, gdy wychodzą z reaktora. Jednak poszczególne nanorurki w tych włóknach nie są ustawione w jednej linii, a właściwe ułożenie ma kluczowe znaczenie: splątane masy cząsteczek nie przenoszą dobrze elektryczności i nie są mocne. Pasquali wiedział, że nanorurki wprowadzone do roztworu układają się jak kłody spływające po rzece, dając w rezultacie dobrze uporządkowane włókna.

Grupa dokonała przełomu w 2004 roku, kiedy doszła do wniosku, że metody stosowane do produkcji włókien kevlarowych, składnika kamizelek kuloodpornych, mogą również działać z nanorurek. Podobnie jak nanorurki, polimer Kevlaru jest długi, cienki i trudny do rozpuszczenia w roztworze; włókna są wytwarzane przez zmieszanie polimeru z kwasem siarkowym, a następnie wystrzelenie roztworu przez igły zgrupowane jak otwory w głowicy prysznicowej.

Naukowcom z firmy Rice udało się rozpuścić tylko niewielkie ilości nanorurek za pomocą kwasu siarkowego. Ale kiedy użyli kwasu chlorosulfonowego – tak zwanego superkwasu – mogli uzyskać wysokie stężenia nanorurek w roztworze. Rurki tworzą ciekłokrystaliczny kryształ, w którym są już ustawione w jednej linii – to ogromna zaleta w przekształcaniu ich we włókna.

Kręcenie linii

Grupa Pasqualiego rozpoczyna proces przędzenia od jednościennych nanorurek wykonanych w pobliskim laboratorium przy użyciu procesu pierwotnie opracowanego przez Smalleya. W reaktorze wysokociśnieniowym, gdzie temperatury sięgają 1000 °C, tlenek węgla osadza się na kropelkach czystego katalizatora żelazowego i rozkłada się. Atomy węgla tworzą puste cylindry o średnicy około nanometra i długości kilkuset nanometrów. Te nanorurki wyłaniają się z reaktora w puszystych, czarnych zaspach; są trzymane w pięciogalonowych wiadrach ułożonych pod sufit, z których każdy ma zaledwie 200 gramów.

Nanorurki wykonane w tym reaktorze zawierają ślady żelaza, które należy usunąć, zanim rurki będą mogły zostać przekształcone we włókna. Absolwent Colin Young wypełnia szklaną komorę nanorurek, które zostały poddane działaniu tlenu w piecu w celu utlenienia żelaza i uczynienia go rozpuszczalnym. Wewnątrz dygestorium mocuje komorę nad kolbą z kwasem solnym. Włącza blok grzewczy pod kwasem, aby go zagotować. Gdy kondensuje i spływa na nanorurki, kwas rozpuszcza żelazo; rury pozostają nietknięte.

Po ich kwaśnym prysznicu, doktorant Natnael Behabtu ładuje nanorurki i kwas chlorosulfonowy do rurki ze stali nierdzewnej wyposażonej w tłoki, które pocierają nanorurki równomiernie w jednym kierunku, aby zachęcić je do ustawienia się w jednej linii. Otrzymany lepki roztwór to 8 procent wagowych nanorurek ciekłokrystalicznych.

Następnie odłącza połowę komory, a wraz z nią jeden z tłoków i zastępuje ją częścią, która jest wyposażona w wirującą igłę. Tłok przepycha ciecz przez szklany filtr (co zapobiega zatykaniu), do igły i do oczekującej kąpieli w eterze dietylowym. Kwas jest rozpuszczalny w eterze, ale nanorurki nie, więc w rezultacie otrzymujemy czyste włókno nanorurek o średnicy od 50 do 100 mikrometrów i długości wielu metrów.

mierzenie w górę

Aby zmierzyć wytrzymałość włókien na rozciąganie, Young używa kleju, aby przykleić krótki odcinek włókna do tekturowej ramy. Wciska to w metalowe imadła testera naprężeń, przecina ramę i ciągnie włókno z obu końców, aż pęknie. Włókna mogą obecnie wytrzymać ciśnienie około 350 megapaskali, zanim ulegną uszkodzeniu – nieco mniej niż ludzki włos, który jest uważany za dość mocny ze względu na swoją średnicę.

Wytrzymałość włókien zależy od tarcia generowanego podczas interakcji powierzchni nanorurek. Dłuższe nanorurki generują większe tarcie, a tym samym mocniejsze włókna. Nanorurki ryżowe – których Pasquali używa ze względu na wygodę – są stosunkowo krótkie. Bada jednak współpracę z firmami zajmującymi się przędzeniem włókien i producentami nanorurek węglowych, którzy mogą zapewnić dodatkową wiedzę na temat przędzenia i dłuższe nanorurki. Pasquali ma nadzieję, że ostatecznie zwiększy wytrzymałość włókien na rozciąganie ponad dziesięciokrotnie.

Nadal istnieje jedna poważna przeszkoda w realizacji marzenia Smalleya o wykorzystaniu nanorurek do przebudowy sieci elektrycznej. Włókna Pasqualiego mają rezystancję elektryczną 120 mikroomów na centymetr, około ośmiokrotnie większą niż druty miedziane. Powodem jest to, że każda metoda hodowli nanorurek skutkuje mieszanką wersji przewodzących i półprzewodnikowych. Aby włókna nanorurek mogły przenosić prąd wystarczający do wypierania miedzi, musiałyby składać się wyłącznie z przewodzących nanorurek. Grupa Rice planuje wytworzenie włókien z przewodzących nanorurek oddzielonych od nieprzewodzących rurek, aby ustalić, czy takie przewodnictwo jest możliwe. Jednak dzisiejszy proces sortowania sprawia, że ​​nanorurki są zbyt drogie do wykorzystania w transmisji elektrycznej.

Pasquali pozostaje jednak optymistą, że to drugie wyzwanie zostanie pokonane, podobnie jak rozwiązał problem przędzenia nanorurek w długie włókna. I jest pewien, że kiedy tak się stanie, mocne, lekkie druty z nanorurek mogą w końcu zastąpić ciężkie i nieefektywne, wzmocnione stalą aluminiowe kable stosowane w dzisiejszej sieci energetycznej, tak jak wyobrażał sobie Smalley.

ukryć