Nanocaurules šķiedras

Rīsa universitātes laboratorijā cilvēka mata diametra melna šķiedra saspolē ētera vārglāzē. Veidots no tīrām nanocaurulēm, ir gandrīz desmit gadus ilgušu eksperimentu kulminācija. Ķīmijas inženieris Matteo Pasquali un viņa kolēģi ir savērpuši nanocaurules vairāku simtu metru garās šķiedrās, pierādot, ka var izstrādāt komerciāli noderīgas ražošanas metodes, lai no šīm cilindriskām tīra oglekļa molekulām ražotu makro mēroga materiālus.

Ķīmijas inženieris Matteo Pasquali, kurš savā laboratorijā Rīsas universitātē Hjūstonā griež oglekļa nanocaurules šķiedrās.

Oglekļa nanocauruļu izgatavošana šķiedrās bija īpašs nelaiķa Raisa profesora Ričarda Mazlija sapnis, kurš 1996. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā par sfērisko oglekļa molekulu atklāšanu, ko sauc par bakibumbām. Atsevišķām nanocaurulēm ir ievērojamas īpašības: tās ir vieglas, izturīgas un var būt elektriski vadošas. Taču to salikšana lielās konstrukcijās ar šīm īpašībām ir bijusi sarežģīta.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2010. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

2001. gadā Smalley sāka mēģināt izmantot šķidro apstrādi, lai oglekļa nanocaurules pārvērstu šķiedrās, kas saglabāja cauruļu elektriskās un mehāniskās īpašības kilometru garumā — ideja, kas, viņaprāt, bija patiešām ārprātīga. (skatiet Wires of Wonder, 2001. gada marts) . Šādas šķiedras būtu stiprākas par tēraudu un vadītspējīgākas par varu. Smalley iedomājās, ka tie ir ieausti kabeļos, kas varētu efektīvi pārvadīt elektroenerģiju no attālām vēja un saules enerģijas fermām uz apdzīvotām vietām, nezaudējot enerģiju siltumam. Paskvali, kurš bija daļa no projekta no paša sākuma un pārņēma vadību pēc Smalley nāves 2005. gadā, atzīst, ka sācis būt skeptisks. Es domāju, ka tā ir pilnīga vājprātība, jo oglekļa nanocaurules nešķīst šķidrumā, un es esmu šķidrs cilvēks, viņš saka.

Citi pētnieki ir izgatavojuši makro mēroga šķiedras no sausām nanocaurulēm, izvelkot tās no vertikāliem blokiem vai vērpjot kā vilnu, kad tās izplūst no reaktora. Taču atsevišķās nanocaurules šajās šķiedrās nesakrīt, un pareiza izlīdzināšana ir ļoti svarīga: molekulu samezglojušās masas slikti pārnēsā elektrību, un tās nav spēcīgas. Paskvali zināja, ka šķīdumā ievestas nanocaurules sarindosies kā baļķi, kas peld lejā pa upi, kā rezultātā veidojas labi sakārtotas šķiedras.

Grupa guva izrāvienu 2004. gadā, kad viņi uzskatīja, ka metodes, ko izmanto Kevlar šķiedru, kas ir ložu necaurlaidīgo vestu sastāvdaļa, ražošanā, varētu darboties arī ar nanocaurulēm. Tāpat kā nanocaurules, arī Kevlar polimērs ir garš, plāns un grūti izšķīst šķīdumā; šķiedras tiek izgatavotas, sajaucot polimēru ar sērskābi un pēc tam izlaižot šķīdumu caur adatām, kas sagrupētas kā dušas uzgaļa caurumi.

Rīsu pētniekiem izdevās izšķīdināt tikai nelielu daudzumu nanocauruļu, izmantojot sērskābi. Bet, kad viņi izmantoja hlorsulfonskābi - tā saukto superskābi, viņi šķīdumā varēja iegūt augstu nanocauruļu koncentrāciju. Caurules veido šķidro kristālu, kurā tās jau ir izlīdzinātas – tā ir milzīga priekšrocība, veidojot tās šķiedrās.

Auklas griešana

Pasquali grupa sāk savu vērpšanas procesu ar vienas sienas nanocaurulēm, kas izgatavotas tuvējā laboratorijā, izmantojot procesu, kuru sākotnēji izstrādāja Smalley. Augstspiediena reaktorā, kur temperatūra sasniedz 1000 °C, oglekļa monoksīds uzliesmo uz tīra dzelzs katalizatora pilieniem un sadalās. Oglekļa atomi veidojas dobos cilindros, kuru diametrs ir aptuveni nanometrs un daži simti nanometru garš. Šīs nanocaurules izplūst no reaktora pūkainās melnās dreifēs; tie tiek glabāti piecu galonu spainīšos, kas sakrauti pie griestiem un katrs satur tikai 200 gramus.

Šajā reaktorā izgatavotās nanocaurules satur dzelzs pēdas, kas ir jānoņem, pirms caurules var pārvērst šķiedrās. Absolvents Kolins Jangs piepilda stikla kameru ar nanocaurulēm, kas ir apstrādātas ar skābekli krāsnī, lai oksidētu dzelzi, padarot to šķīstošu. Dūmu nosūcēja iekšpusē viņš nostiprina kameru virs sālsskābes kolbas. Viņš ieslēdz sildīšanas bloku zem skābes, lai to uzvārītu. Kondensējoties un pilot uz nanocaurulēm, skābe izšķīdina dzelzi; caurules paliek neskartas.

Pēc skābes dušas maģistrantūras students Natnaels Behabtu nanocaurules un hlorsulfonskābi ievieto nerūsējošā tērauda caurulē, kas aprīkota ar virzuļiem, kas vienmērīgi berzē nanocaurules vienā virzienā, lai mudinātu tās sakārtoties. Iegūtais viskozs šķīdums ir 8 procenti šķidro kristālu nanocaurules pēc svara.

Pēc tam viņš atdala pusi kameras un vienu no virzuļiem ar to un aizstāj to ar daļu, kas ir aprīkota ar griežamu adatu. Virzulis izspiež šķidrumu caur stikla filtru (kas novērš aizsērēšanu), adatā un ārā dietilētera gaidīšanas vannā. Skābe šķīst ēterī, bet nanocaurules ne, tāpēc rezultāts ir tīra nanocaurules šķiedra, kuras diametrs ir 50 līdz 100 mikrometri un daudzu metru garš.

mērot

Lai izmērītu šķiedru stiepes izturību, Young izmanto līmi, lai uz kartona rāmja uzlīmētu īsu šķiedru. Viņš to iespiež sprieguma testera metāla skrūvspīlēs, sagriež rāmi un velk šķiedru no abiem galiem, līdz tā saplīst. Šķiedras pašlaik var izturēt aptuveni 350 megapaskālu spiedienu, pirms tās sabojājas – nedaudz mazāk nekā cilvēka mati, kas tiek uzskatīts par diezgan spēcīgu tā diametra dēļ.

Šķiedru izturība ir atkarīga no berzes, kas rodas nanocauruļu virsmu mijiedarbības vietā. Garākas nanocaurules rada lielāku berzi un līdz ar to arī stiprākas šķiedras. Rīsu nanocaurules, kuras Pasquali izmanto ērtības labad, ir salīdzinoši īsas. Taču viņš pēta partnerattiecības ar šķiedru vērpšanas uzņēmumiem un oglekļa nanocauruļu ražotājiem, kuri var nodrošināt papildu vērpšanas zināšanas un garākas nanocaurules. Pasquali cer, ka galu galā palielinās šķiedru stiepes izturība vairāk nekā desmit reizes.

Joprojām ir viens būtisks šķērslis, lai īstenotu Smalley sapni izmantot nanocaurules, lai pārveidotu elektrotīklu. Pasquali šķiedru elektriskā pretestība ir 120 mikroohmi uz centimetru, kas ir aptuveni astoņas reizes lielāka nekā vara stieplēm. Iemesls ir tāds, ka katra nanocauruļu audzēšanas metode rada vadošu un pusvadītāju versiju sajaukumu. Lai nanocaurules šķiedrām būtu pietiekami daudz strāvas, lai izspiestu varu, tām ir jābūt pilnībā veidotām no vadošām nanocaurulēm. Rīsu grupa plāno izgatavot šķiedras no vadošām nanocaurulēm, kas atdalītas no nevadošām caurulēm, lai noteiktu, vai šāda vadītspēja ir iespējama. Taču mūsdienu šķirošanas process padara nanocaurules pārāk dārgas izmantošanai elektriskajā pārvadē.

Tomēr Pasquali joprojām ir optimistisks, ka šis otrais izaicinājums tiks pārvarēts, tāpat kā viņš atrisināja nanocauruļu vērpšanas problēmu garās šķiedrās. Un viņš ir pārliecināts, ka tad, kad tā ir, spēcīgi, viegli nanocauruļu vadi beidzot var aizstāt smagos un neefektīvos ar tēraudu pastiprinātos alumīnija kabeļus, ko izmanto mūsdienu elektrotīklā, tieši tā, kā to bija iedomājies Smalley.

paslēpties