Team pleit voor hoogwaardige koolstofnanobuisvezels voor de industrie

Koolstof nanobuisvezels gemaakt aan de Rice University zijn nu sterker dan Kevlar en gaan steeds sneller met de geleidbaarheid van koper.

Het Rice-lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Matteo Pasquali rapporteerde in Koolstof het heeft zijn sterkste en meest geleidende vezels tot nu toe ontwikkeld, gemaakt van lange koolstofnanobuizen door middel van een nat spinproces.

In de nieuwe studie onder leiding van Rice-afgestudeerde studenten Lauren Taylor en Oliver Dewey, merkten de onderzoekers op dat natgesponnen koolstofnanobuisvezels, die zouden kunnen leiden tot doorbraken in een groot aantal medische en materiaaltoepassingen, elke drie jaar in sterkte en geleidbaarheid zijn verdubbeld, een trend die bijna twee decennia overspant.

Hoewel dat misschien nooit de wet van Moore zal nabootsen, die decennialang een maatstaf is voor de vooruitgang van computerchips, dragen Pasquali en zijn team hun steentje bij om de methode te verbeteren die ze pionierden om koolstofnanobuisvezels te maken.

De draadachtige vezels van het laboratorium, met tientallen miljoenen nanobuisjes in doorsnede, worden bestudeerd voor gebruik als bruggen om beschadigde harten te repareren, als elektrische interfaces met de hersenen, voor gebruik in cochleaire implantaten, als flexibele antennes en voor auto- en ruimtevaarttoepassingen.

Ze maken ook deel uit van de Carbon Hub, een multi-universitair onderzoeksinitiatief dat in 2019 is gelanceerd door Rice met steun van Shell, Prysmian en Mitsubishi om een ​​toekomst zonder uitstoot te creëren.

“Koolstof nanobuisvezels worden al lang geprezen vanwege hun potentieel superieure eigenschappen”, zei Pasquali. “Twee decennia van onderzoek bij Rice en elders hebben dit potentieel gerealiseerd. Nu hebben we een wereldwijde inspanning nodig om de productie-efficiëntie te verhogen, zodat deze materialen gemaakt kunnen worden zonder CO2-uitstoot en mogelijk met gelijktijdige productie van schone waterstof.”

“Het doel van dit document is om de recordeigenschappen van de vezels die in ons laboratorium worden geproduceerd naar voren te brengen”, zei Taylor. “Deze verbeteringen betekenen dat we Kevlar nu overtreffen in termen van sterkte, wat voor ons echt een grote prestatie is. Met nog een verdubbeling zouden we de sterkste vezels op de markt overtreffen.”

De flexibele rijstvezels hebben een treksterkte van 4,2 gigapascal (GPa), vergeleken met 3,6 GPa voor kevlarvezels. De vezels vereisen lange nanobuisjes met een hoge kristalliniteit; dat wil zeggen regelmatige arrays van koolstofatoomringen met weinig defecten. De zure oplossing die in het rijstproces wordt gebruikt, helpt ook om onzuiverheden te verminderen die de vezelsterkte kunnen verstoren en de metallische eigenschappen van de nanobuisjes te verbeteren door resterende doping, zei Dewey.

“De lengte, of aspectverhouding, van de nanobuisjes is het bepalende kenmerk dat de eigenschappen van onze vezels aandrijft”, zei hij, waarbij hij opmerkte dat het oppervlak van de 12-micrometer nanobuisjes die in rijstvezel worden gebruikt, betere van der Waals-bindingen mogelijk maakt. “Het helpt ook dat de medewerkers die onze nanobuisjes kweken, optimaliseren voor oplossingsverwerking door het aantal metallische onzuiverheden van de katalysator en wat we amorfe koolstofonzuiverheden noemen, te beheersen.”

De onderzoekers zeiden dat de geleidbaarheid van de vezels is verbeterd tot 10,9 megasiemens (miljoen siemens) per meter. “Dit is de eerste keer dat een koolstof nanobuisvezel de drempel van 10 megasiemens overschrijdt, dus we hebben een nieuwe orde van grootte bereikt voor nanobuisvezels,” zei Dewey. Genormaliseerd voor gewicht, zei hij dat de rijstvezels ongeveer 80% van de geleidbaarheid van koper bereiken.

“Maar we overtreffen platinadraad, wat een grote prestatie voor ons is,” zei Taylor, “en de thermische geleiding van de vezels is beter dan welke metalen en synthetische vezels dan ook, behalve pekgrafietvezels.”

Het doel van het laboratorium is om de productie van superieure vezels efficiënt en goedkoop genoeg te maken om op grote schaal door de industrie te worden opgenomen, zei Dewey. Oplossingsverwerking is gebruikelijk bij de productie van andere soorten vezels, waaronder Kevlar, dus fabrieken zouden vertrouwde processen kunnen gebruiken zonder grote aanpassingen.

“Het voordeel van onze methode is dat het in wezen plug-and-play is”, zei hij. “Het is inherent schaalbaar en past in de manier waarop synthetische vezels al worden gemaakt.”

“Er is een idee dat koolstofnanobuisjes nooit alle eigenschappen zullen krijgen die mensen nu al decennia lang hypnotiseren,” zei Taylor. “Maar we boeken jaar op jaar goede winsten. Het is niet gemakkelijk, maar we geloven nog steeds dat deze technologie de wereld zal veranderen.”

Co-auteurs van de paper zijn Rice alumnus Robert Headrick; afgestudeerde studenten Natsumi Komatsu en Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, een assistent-professor werktuigbouwkunde; en Junichiro Kono, de Karl F. Hasselmann Professor in Engineering en een professor in elektrische en computertechniek, natuurkunde en astronomie, en materiaalkunde en nanoengineering. Pasquali is de AJ Hartsook hoogleraar Chemische en Biomoleculaire engineering, scheikunde en materiaalkunde en nanoengineering.