Materiaal op nanoschaal biedt een nieuwe manier om vuur te beheersen

Vlammen op hoge temperatuur worden gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan materialen te maken, maar als je eenmaal een vuur hebt gemaakt, kan het moeilijk zijn om te controleren hoe de vlam interageert met het materiaal dat je probeert te verwerken. Onderzoekers hebben nu een techniek ontwikkeld die een molecuuldunne beschermende laag gebruikt om te regelen hoe de hitte van de vlam in wisselwerking staat met het materiaal, waardoor het vuur wordt getemd en gebruikers in staat worden gesteld de eigenschappen van het verwerkte materiaal nauwkeurig af te stemmen.

“Vuur is een waardevol technisch hulpmiddel – een hoogoven is tenslotte slechts een intense brand”, zegt Martin Thuo, overeenkomstige auteur van een paper over het werk en een professor in materiaalkunde en engineering aan de North Carolina State University. “Echter, als je eenmaal een vuur hebt gemaakt, heb je vaak weinig controle over hoe het zich gedraagt.”

“Onze techniek, die we inverse thermische degradatie (ITD) noemen, maakt gebruik van een dunne film op nanoschaal over een gericht materiaal. De dunne film verandert als reactie op de hitte van het vuur en reguleert de hoeveelheid zuurstof die toegang heeft tot het materiaal. Dat betekent dat we de snelheid waarmee het materiaal opwarmt, kunnen regelen, wat op zijn beurt de chemische reacties in het materiaal beïnvloedt. Kortom, we kunnen nauwkeurig afstemmen hoe en waar het vuur het materiaal verandert. ”

Hier is hoe ITD werkt. Je begint met je doelmateriaal, zoals een cellulosevezel. Die vezel wordt vervolgens bedekt met een nanometer dikke laag moleculen. De gecoate vezels worden vervolgens blootgesteld aan een intense vlam. Het buitenoppervlak van de moleculen brandt gemakkelijk, waardoor de temperatuur in de directe omgeving stijgt.

Maar het binnenoppervlak van de moleculaire coating verandert chemisch, waardoor een nog dunnere glaslaag rond de cellulosevezels ontstaat. Dit glas beperkt de hoeveelheid zuurstof die toegang kan krijgen tot de vezels, waardoor wordt voorkomen dat de cellulose in vlammen opgaat. In plaats daarvan smeulen de vezels – langzaam brandend, van binnenuit.

“Zonder de beschermende laag van de ITD zou het aanbrengen van vlammen op cellulosevezels alleen maar resulteren in as”, zegt Thuo. “Met de beschermlaag van de ITD krijg je koolstofbuizen.”

“We kunnen de beschermende laag ontwerpen om de hoeveelheid zuurstof die het doelmateriaal bereikt af te stemmen. En we kunnen het doelmateriaal ontwerpen om de gewenste eigenschappen te produceren.”

De onderzoekers voerden proof-of-concept-demonstraties uit met cellulosevezels om koolstofbuizen op microschaal te produceren.

De onderzoekers konden de dikte van de koolstofbuiswanden regelen door de grootte van de cellulosevezels waarmee ze begonnen te regelen; door verschillende zouten aan de vezels toe te voegen (wat de verbrandingssnelheid verder regelt); en door de hoeveelheid zuurstof die door de beschermlaag gaat te variëren.

“We hebben al verschillende toepassingen in gedachten, die we in toekomstige studies zullen behandelen”, zegt Thuo. “We staan ​​ook open voor samenwerking met de particuliere sector om verschillende praktische toepassingen te verkennen, zoals het ontwikkelen van speciaal ontworpen koolstofbuizen voor olie-waterscheiding, wat nuttig zou zijn voor zowel industriële toepassingen als milieusanering.”

Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition.