211service.com
Nanorörsfibrer
I ett Rice University-labb spolar en svart fiber med diametern av ett människohår in i en bägare med eter. Den består av rena nanorör och är kulmen på nästan ett decennium av experimenterande. Kemiingenjören Matteo Pasquali och hans kollegor har snurrat nanorör till flera hundra meter långa fibrer, vilket bevisar att kommersiellt användbara tillverkningstekniker kan utvecklas för att producera material i makroskala från dessa cylindriska molekyler av rent kol.
Kemiingenjör Matteo Pasquali, som spinner kolnanorör till fibrer i sitt labb vid Rice University i Houston.
Att göra kolnanorör till fibrer var en speciell dröm för den framlidne risprofessorn Richard Smalley, som delade 1996 års Nobelpris i kemi för sin upptäckt av de sfäriska kolmolekylerna som kallas buckyballs. Enskilda nanorör har anmärkningsvärda egenskaper: de är lätta, de är starka och de kan vara elektriskt ledande. Men att sätta ihop dem till stora strukturer med dessa egenskaper har varit svårt.
Den här historien var en del av vårt majnummer 2010
- Se resten av frågan
- Prenumerera
2001 började Smalley att försöka använda vätskebearbetning för att spinna kolnanorör till fibrer som bibehöll rörens elektriska och mekaniska egenskaper över kilometerlängder – en idé som, medgav han, verkligen var galen extrem (se Wires of Wonder, mars 2001) . Sådana fibrer skulle vara starkare än stål och mer ledande än koppar. Smalley föreställde sig dem vävda till kablar som effektivt kunde transportera elektricitet från avlägsna vind- och solkraftsparker till befolkade områden – utan att förlora energi till värme. Pasquali, som var en del av projektet från början och tog över efter Smalleys död 2005, erkänner att han började som en skeptiker. Jag trodde att det var helt galet, eftersom kolnanorör inte är lösliga i vätska – och jag är en flytande kille, säger han.
Andra forskare har gjort makroskaliga fibrer från torra nanorör, dra dem från vertikala arrayer eller snurra dem som ull när de kommer ut ur en reaktor. Men de enskilda nanorören i dessa fibrer står inte i linje, och korrekt inriktning är avgörande: trassliga massor av molekylerna bär inte elektricitet bra, och de är inte starka. Pasquali visste att nanorör som fördes i lösning skulle radas upp som stockar som flyter nerför en flod, vilket resulterade i välordnade fibrer.
Gruppen fick ett genombrott 2004, när de resonerade att metoderna som används för att tillverka kevlarfibrer, en komponent i skottsäkra västar, också kan fungera med nanorör. Liksom nanorör är Kevlar-polymeren lång, tunn och svår att lösa i lösning; fibrerna görs genom att blanda polymeren med svavelsyra och sedan skjuta lösningen genom nålar grupperade som hålen i ett duschhuvud.
Risforskarna lyckades lösa upp endast små mängder nanorör med hjälp av svavelsyra. Men när de använde klorsulfonsyra – en så kallad supersyra – kunde de få höga koncentrationer av nanorör i lösning. Rören bildar en flytande kristall, i vilken de redan är inriktade - en enorm fördel för att göra dem till fibrer.
Snurra en linje
Pasqualis grupp börjar sin spinnprocess med enkelväggiga nanorör tillverkade i ett närliggande labb med en process som ursprungligen utvecklades av Smalley. I en högtrycksreaktor där temperaturen når 1 000 °C tänds kolmonoxid på droppar av ren järnkatalysator och sönderdelas. Kolatomerna byggs upp till ihåliga cylindrar cirka en nanometer i diameter och några hundra nanometer långa. Dessa nanorör kommer ut från reaktorn i fluffiga svarta drivor; de förvaras i fem-liters hinkar staplade till taket, var och en rymmer bara 200 gram.
Nanorör tillverkade i denna reaktor innehåller spår av järn som måste avlägsnas innan rören kan förvandlas till fibrer. Doktorand Colin Young fyller en glaskammare med nanorör som har behandlats med syre i en ugn för att oxidera järnet, vilket gör det lösligt. Inuti ett dragskåp fäster han kammaren över en kolv med saltsyra. Han sätter på ett värmeblock under syran för att koka den. När det kondenserar och droppar ner på nanorören löser syran upp järnet; rören lämnas orörda.
Efter sin syradusch laddar doktoranden Natnael Behabtu nanorören och klorsulfonsyran i ett rostfritt stålrör försett med kolvar som gnuggar nanorören jämnt i en enda riktning för att uppmuntra dem att ställa upp. Den resulterande viskösa lösningen är 8 viktprocent nanorör av flytande kristaller.
Han tar sedan bort halva kammaren och en av kolvarna med den och ersätter den med en del som har försetts med en snurrnål. Kolven trycker vätskan genom ett glasfilter (som förhindrar igensättning), in i nålen och ut i ett väntande bad av dietyleter. Syran är löslig i etern, men nanorören är det inte, så resultatet är en ren nanorörsfiber, 50 till 100 mikrometer i diameter och många meter lång.
mäta upp
För att mäta fibrernas draghållfasthet använder Young lim för att fästa en kort fiberlängd på en kartongram. Han klämmer fast detta i metallskruvarna på en stresstestare, skär av ramen och drar fibern från båda ändar tills den går sönder. Fibrerna kan för närvarande motstå cirka 350 megapascals tryck innan de misslyckas - något mindre än ett människohår, som anses vara ganska starkt för sin diameter.
Fibrernas styrka beror på friktionen som genereras där nanorörsytor samverkar. Längre nanorör genererar mer friktion och därmed starkare fibrer. Risnanorören – som Pasquali använder för bekvämlighetens skull – är relativt korta. Men han undersöker partnerskap med fiberspinningsföretag och kolnanorörtillverkare som kan tillhandahålla ytterligare spinningsexpertis och längre nanorör. Pasquali hoppas i slutändan kunna öka fibrernas draghållfasthet mer än tio gånger.
Det finns fortfarande ett stort hinder för att förverkliga Smalleys dröm om att använda nanorör för att göra om det elektriska nätet. Pasqualis fibrer har ett elektriskt motstånd på 120 mikroöhms per centimeter, ungefär åtta gånger större än koppartrådarnas. Anledningen är att varje metod för att odla nanorör resulterar i en blandning av ledande och halvledande versioner. För att nanorörsfibrer ska bära tillräckligt med ström för att tränga undan koppar, måste de bestå helt av ledande nanorör. Rice-gruppen planerar att göra fibrer från ledande nanorör separerade från de icke-ledande rören för att avgöra om sådana ledningsförmåga är möjliga. Men dagens sorteringsprocess gör nanorören för dyra för användning i elektrisk transmission.
Pasquali är dock fortfarande optimistisk att denna andra utmaning kommer att övervinnas, precis som han löste problemet med att snurra nanorör till långa fibrer. Och han är säker på att när det är så kan starka, lätta nanorörsledningar äntligen ersätta de tunga och ineffektiva stålförstärkta aluminiumkablarna som används i dagens elnät, precis som Smalley föreställde sig.