211service.com
Nanorörskablar träffade en milstolpe: As Good as Copper
För första gången har forskare gjort elektriska kablar av kol-nanorör som kan bära lika mycket ström som koppartrådar. Dessa nanorörskablar kan hjälpa till att föra mer förnybar kraft längre i elnätet, tillhandahålla lätta kablar för mer bränslesnåla fordon och flygplan och göra anslutningar i datorchips med låg effekt. Forskare vid Rice University har nu demonstrerat kol-nanorör-kablar i ett praktiskt system och designar en tillverkningslinje för kommersiell produktion.
Nanotech lyser: Rice University-forskaren Yao Zhao demonstrerar en uppsättning som använder en nanorörskabel i kol för att föra vanlig elektrisk ström till en lysrörslampa.
Att göra lätta, effektiva nanorörsledningar i kol lika ledande som koppar har varit ett mål för nanoteknologer sedan 1980-talet. Enskilda kolnanorör - ihåliga nanoskaliga rör av rent kol - är mekaniskt starka och en storleksordning mer ledande än koppar. Men om inte kolnanorör sätts ihop just så, har större strukturer gjorda av dem inte de överlägsna egenskaperna hos de enskilda rören.
År av mixtrande i labbet för att hitta rätt monteringstekniker och ingredienser har gjort det möjligt för forskare ledda av professorer i rismaterialvetenskap Pulickel Ajayan och Enrique Barrera för att äntligen göra nanorörskablar i kol lika bra som kopparkablar. Gruppens nanokablar har en kombination av egenskaper som hittills saknar motstycke. De är mekaniskt starka, men ändå flexibla nog att knytas eller vävas ihop till långa trådar. De bär cirka 100 000 ampere ström per kvadratcentimeter material, ungefär lika mycket som koppartrådar, men väger en sjättedel så mycket. De överträffar koppar på ett mått som kallas strömtäthet, vilket betyder att de borde kunna bära mer elektricitet över längre avstånd utan att förlora energi till värme - ett problem med dagens elnät och med datorchips. Och eftersom de är gjorda av kol, inte metall, korroderar de inte.
Kolnanorör varierar i ledningsförmåga, längd och antal lager. Rice-gruppen fann att det som fungerade bäst var relativt långa, dubbelväggiga nanorör tillhandahållna av medarbetare från Tsinghua University i Peking. Elektroner rör sig genom enskilda nanorör mycket snabbt, men strömmen saktar ner när elektronerna måste hoppa från nanorör till nanorör. Ju längre nanorören är, desto färre sådana hopp måste elektronerna göra i en given trådlängd.
Processen att tillverka nanokablar börjar med en klump av dubbelväggiga nanorör som har behandlats för att ta bort orenheter. Forskarna lägger till svavelsyra till nanorören så att de kan sprida dem till en tunn film. De tar sedan tag i filmens kant med en pincett för att börja göra en fiber, och drar med en stadig kraft för att ge en lång kabel - liknande hur ullgarn tillverkas genom att dra och vrida fleece. De sköljer av syran från kabeln och utsätter den för jodånga vid höga temperaturer. Joden tränger in i nanorören i kabeln och ökar kabelns ledningsförmåga utan att kompromissa med dess mekaniska egenskaper. Och Rice-gruppen har visat att ledningsförmågan inte påverkas när kablarna knyts ihop för att göra större längder.
För att visa att kablar gjorda på det här sättet kan överföra en vanlig linjespänning använde de en för att ansluta en lysrörslampa till ett vägguttag och lät lampan vara tänd i flera dagar. Detta arbete beskrivs online i tidskriften Naturvetenskapliga rapporter .
Nanokabel: Denna kabel, gjord av kolnanorör, kan bära lika mycket elektrisk ström som en koppartråd.
Det är ett bevis på hur mogna dessa material håller på att bli att de kan mäta ledningsförmåga som nu överstiger vanliga metaller, säger Michael Strange , en professor i kemiteknik vid MIT som inte var involverad i arbetet. Att överträffa metaller, säger han, representerar en milstolpe.
Det här är väldigt spännande, särskilt med tanke på den enorma betydelsen av att minska vikten av [el] kablar i flygplan och bilar för att förbättra bränsleeffektiviteten, säger Ray Baughman , chef för NanoTech Institute och professor i kemi vid University of Texas i Dallas. Baughman var inte involverad i arbetet.
Flygjätten Boeing är bland företagen som stödjer Rice-gruppen. Andra samarbetspartners och anhängare inkluderar Chevron, det amerikanska energidepartementet och NanoRidge-material från Houston.
Målet är att göra en konstruerad produkt, säger Rice’s Barrera. Vi tror att det vi har kunnat göra är skalbart till kontinuerliga produktionsmetoder. Gruppen har kartlagt hur detta skulle göras på en tillverkningslinje och undersöker för närvarande kommersialisering med olika företag, även om de inte har avslöjat några affärer.
Även om kablarna nu är tillräckligt bra för att börja tänka seriöst på kommersiella tillämpningar, vill Ajayan göra dem ännu bättre. Ajayan noterar att de hittills bara har testat de dubbelväggiga kablarnas förmåga att bära växelström. Elektricitet överförs över långa avstånd i form av växelström. Ett separat mål, säger Ajayan, är att göra kablarna ännu mer ledande än koppar. Ett sätt att göra detta är att göra arbetsbara kablar av enkelväggiga kolnanorör, som till sin natur är mer ledande, men som har varit svåra att spinna till fibrer.