211service.com
Nanorör förvandlades till superfibrer
Kolnanorör har enastående styrka och ledningsförmåga, men under de två decennierna efter upptäckten har det visat sig svårt att göra långa strängar av dem som kan dra fördel av dessa egenskaper. Nu forskare vid Rice University och holländskt materialföretag Teijin Aramid tillverkar trådliknande nanorörsfibrer som kombinerar den elektriska ledningsförmågan hos metaller med styrkan hos kolkompositer och är lätta, flexibla och värmeledande.
Kolljus: Denna 46-grams ljusemitterande diod hålls uppe av två 24 mikrometer tjocka nanorörsfibrer. Fibrerna leder också elektrisk ström till glödlampan.
Teijin Aramid, baserat i Arnhem, Nederländerna, och en ledande tillverkare av höghållfasta fibrer, planerar att kommersialisera de nanorörsbaserade materialen, troligen först i ledningar för flygplan och satelliter, och så småningom i elektroniska textilier och medicinska implantat som motstår korrosion.
Enskilda kolnanorör är några av de starkaste, mest ledande kända materialen. Men de flesta försök att bygga större material av dem resulterar i en trasslig röra som inte har någon av dessa egenskaper. Problemet är att för att göra sådana material måste du rikta in nanorören.
År 2003, Rice University forskare under ledning av Richard Smalley tillverkade de första kolnanorörsfibrerna genom att köra en flytande suspension av nanorör genom en fiberspinningsmaskin av samma typ som används för att tillverka kommersiella polymerfibrer som DuPonts Kevlar och Twaron, som är tillverkad av Teijin Aramid. Skälet var att nanorören skulle flöda genom vätskan och linjera sig med varandra som stockar som flyter på en flod. Denna inriktning bör göra fibern starkare och mer ledande. Men egenskaperna hos dessa tidiga fibrer var inte särskilt bra, säger Matteo Pasquali , som nu leder nanorörsfiberprojektet hos Rice. Medan andra grupper vände sig till att göra nanorörsark och fibrer av torra material, höll Rice-gruppen fast vid sin metod.
På den tiden fungerade det inte särskilt bra med nanorör, men Pasquali och Smalley trodde att om de kunde förbättra spinningsprocessen, skulle det i slutändan leda till fibrer med bättre egenskaper än de torra metoderna och vara mottagliga för storskalig tillverkning som t.ex. som görs med polymerer.
Nu har det beslutet gett resultat, säger Pasquali. I samarbete med Teijin Aramid har Rice-gruppen nu tillverkat kol-nanorörfibrer som har fler egenskaper hos enskilda nanorör. De har en elektrisk ledningsförmåga nära koppar, men är mycket starkare. De är inte riktigt lika starka som konventionella kolfibrer, men de är mycket mindre spröda. Och de är mer värmeledande än metall eller kolfiber. Det betyder att nanorörsfibrer kan ersätta dessa material i befintliga applikationer inom flyg- och elektronik, och möjliggöra ny teknik som drar fördel av fibrernas unika kombination av styrka, flexibilitet och termisk och elektrisk ledningsförmåga. Pasquali föreställer sig tvättbara elektroniska textilier, lättviktsledningar för flygplan och så småningom mer effektiva ledningar för elnätet.
Filamenten är cirka 25 mikrometer tjocka och kan vävas till tjockare trådar för att hålla upp tyngre belastningar, eller för att bära mer ström. Pasquali säger att gruppen nu kan producera nanorörsmaterialen kontinuerligt, och att det tar ett par timmar att producera några hundra meter. Detta arbete beskrivs i tidskriften Vetenskap .
Marcin Otto, affärsutvecklingschef på Teijin Aramid, säger att eftersom fibrerna tillverkas med en våtspinningsprocess har de bättre egenskaper än de som är gjorda av torra nanorör. Men, medger han, Teijin Aramid måste visa att den är kapabel att tillverka i större skala.
Otto säger att Teijin Aramid nu undersöker olika potentiella marknader. En möjlighet är lätta multifunktionella textilier för smarta kläder som integrerar medicinska sensorer, antenner och andra enheter, och som kan överleva stressen från vikning och motstå korrosion i tvättmaskinen. Men tidiga tillämpningar kommer sannolikt att finnas på marknader som elektriska ledningar för flyg- och försvarsindustrin, där varje uns vikt är avgörande. Först måste företaget göra den nödvändiga ingenjörskonsten och testningen för att säkerställa att fibrerna kan skalas upp för att göra en pålitlig produkt.