211service.com
Grafen-polymerkomposit
Genom att sprida en liten mängd grafen, ett platt ark av kolatomer i ett lager, genom polymerer, har forskare gjort tuffa, lätta material. Kompositerna leder elektricitet och tål mycket högre temperaturer än bara polymererna.
Liten men tuff: Bilder från ett svepelektronmikroskop visar hundratals nanometer långa grafenark som är inbäddade i en polymer för att göra den segare, styvare, mer värmebeständig och elektriskt ledande.
Polymerer kan infunderas med kolnanorör för att göra material med liknande egenskaper. Men grafen kan vara mycket billigare. Du kan köpa [grafit] i påsar för dollar per pund, medan enkelväggiga nanorör kostar hundratals dollar per gram, säger Catherine Brinson , en mekanisk ingenjörsprofessor vid Northwestern University, som ledde arbetet, som publicerades online i Naturens nanoteknik .
Grafen kan också ge upphov till färre toxicitetsproblem än kolnanorör. En separat Naturens nanoteknik studie har funnit att långa kolnanorör orsakar samma toxiska reaktioner hos möss som asbest. Oron är att kolnanorör kan efterlikna asbestfibrer, som är tunna nog att tränga in i lungorna och orsaka cancer. Grafen, å andra sidan, är en nanometer bara i tjocklek, säger Lawrence Drzal , chef för Composite Materials and Structures Center vid Michigan State University. De är relativt stora i två andra dimensioner. De kommer inte att kunna gå igenom blod-hjärnbarriärer eller in i celler.
Grafen-polymerkompositer skulle vara idealiska för att göra lätta bensintankar och plastbehållare som håller maten fräsch i veckor. De skulle också kunna användas för att göra lättare, mer bränslesnåla flygplan och bildelar, såväl som starkare vindturbiner, medicinska implantat och sportutrustning. Dessutom är de bra elektriska ledare och kan användas för att göra transparenta ledande beläggningar för solceller och displayer.
Framstegen är en del av en bredare forskningssatsning för att göra nanopartikelinbäddade polymerer. Kol- och glasfibrer har traditionellt använts för att stärka polymerer – glasfiber är ett vanligt exempel. Till skillnad från med fibrer är dock en mycket liten mängd nanopartiklar - mindre än 2 procent av kompositens volym - tillräckligt för att göra polymeren starkare och värmebeständig. Eftersom mindre fyllmedel används kan kompositen behålla polymerens töjbarhet eller transparens.
Nanopartiklar av lera och nanorör av kol är starka utmanare för användning i polymerkompositer. Toyota tillverkar vissa motordelar av ler-nylonkompositer, som är starkare och klarar mycket högre temperaturer än vad nylon klarar. Kol-nanorör-infunderade polymerer används för att göra basebollträn och golfklubbor, och de kan användas i bildelar som handtag och fendrar - delar som är lättare att måla elektrostatiskt om de leder elektricitet. Men de höga kostnaderna för att tillverka kolnanorör har begränsat deras användning.
Grafen kan vara ett billigare alternativ. Det viktigaste genombrottet som behövdes för att göra grafen-polymerhybriden var att ha rätt sorts grafenark. Forskarna behövde ett eller två lager grafen med några hydroxylgrupper eller syreatomer hängande på ytan: dessa hjälper grafen att länka till polymeren och spridas jämnt. Forskare vid Princeton University, som är medförfattare till uppsatsen, utvecklade ett sätt att isolera sådana grafenark från grafitoxid genom att expandera materialet snabbt vid höga temperaturer.
Brinson och hennes kollegor på Northwestern hittade sedan ett sätt att jämnt sprida grafenet i polymeren. De dispergerar grafen i ett lösningsmedel och löser upp polymeren i ett annat. Sedan blandar de de två tills grafen är jämnt fördelat i polymeren, och de avdunstar lösningsmedlen.
För alla egenskaper vi visade, presterar grafenarken lika eller överlägsen nanorör, säger Brinson. Med samma polymer tillverkade forskarna två kompositer, den ena innehöll 1 viktprocent kolnanorör och den andra innehöll samma mängd grafen. Tillsats av grafen till polymeren gjorde den 80 procent styvare, medan kolnanorör gjorde den lite mer än 50 procent styvare. Grafenkompositen klarade 30 ºC högre temperaturer jämfört med polymeren enbart, medan kolnanorör inte ökade temperaturstabiliteten.
Northwestern-materialet möter en tuff konkurrent. Baserat på teknik som Michigan State Universitys Drzal utvecklade, ringde ett företag i East Lansing, MI X G Sciences håller på att inrätta en pilotanläggning för att tillverka olika vanliga polymerer som innehåller grafenplättar. Blodplättarna innehåller staplar av cirka fem lager grafen, i motsats till ett enda ark. Drzal, företagets chefsforskare, säger att högar inte kommer att skrynklas eller rulla ihop sig under bearbetningsmetoderna som används för att tillverka plastprodukter. Det är som när du har ett enda papper jämfört med 10 pappersark ... Stapeln är mycket styvare och mer robust. De är också billigare att producera, säger han. Ju mer du får för enkelark, desto dyrare blir processen.
En lovande användning för grafenkompositer kommer att vara att tillverka bränsletankar och livsmedelsförpackningar. Gas- och vätskemolekyler kan tränga igenom vanliga polymerer, säger Rodney Ruoff från University of Texas i Austin, som var involverad i arbetet. Men grafenkompositer kan bilda en ogenomtränglig barriär. Det betyder att bränsletankens foder skulle hålla ångorna inne och avleda statisk elektricitet. Du kan hålla smörgåsar utanför kylskåpet i sex månader utan att syre kommer igenom och oxiderar [dem], föreslår Ruoff.