Spinnande nanogarn

Många viktiga teknologier – från batterielektroder och supraledande ledningar till katalysatorer i bränsleceller – är beroende av material som innehåller pulverformiga partiklar, vilket kan vara svårt att hantera. Nu, i en bedrift som skulle kunna förenkla produktionen av många sådana tekniker och kan peka vägen mot några radikala nya, har forskare vid University of Texas visat ett sätt att spinna garn ur nanorör infunderade med användbara pulvermaterial.

Nanovävstol: Banor av kol-nanorör dras och tvinnas för att göra garn. De fyra banorna här är 5,5 centimeter breda.

Forskarna har använt metoden för att göra remsor av garn som fungerar som batterielektrod, andra med supraledande egenskaper och självrengörande garn.

Pulver är mycket viktiga funktionella material eftersom de har mycket stor yta, säger man Ray Baughman , som leder MacDiarmid NanoTech Institute vid University of Texas i Dallas. Problemet är att pulver utan form är svåra att använda.

Litiumjonbatterielektroder, till exempel, drar fördel av den höga ytan hos pulver för att uppnå större lagringstäthet. Men vanligtvis måste antingen pulver hållas samman av bindemedel som tillför vikt och soliditet, eller så måste de sintras samman till fasta strukturer, vars processer är komplicerade.

Baughman säger att tekniken som utvecklats av hans grupp borde göra det lättare att arbeta med ett brett utbud av pulverformiga material. Man kan ta nästan vilket pulver som helst och göra ett sybart, stickbart, knytbart, flätbart garn, säger han.

Forskarna börjar med att odla en skog av vertikalt riktade kolnanorör i en kemisk reaktor. Sedan drar de en rulle över nanorören, som separeras från ytan och trasslar in sig i ett långt, stretchigt band — en så kallad nanorörsbana. Dessa nät, har Baughmans team upptäckt, kan fungera som en värd för nanopartiklar och pulver. Forskarna sprejar banans yta med pulvret och tvinnar sedan ihop det till ett garn. Pulvret är inneslutet i spiralerna av nanorörsbanan. När man tvättar det finns nästan allt pulver kvar, säger han. De resulterande garnen kan vara 95 till 99 viktprocent pulver.

Baughmans grupp använde en blandning av pulveriserat bor och magnesium för att göra supraledande garn med en enkel process. Den konventionella processen för att tillverka supraledande trådar innebär att pulvren packas i kopparrör och värms upp och dras tiotals gånger för att sträcka ut dem till trådar. Men de supraledande garnen upphettas bara en gång för att glödga pulvren och bilda en supraledande tråd.

Pulvren behåller egenskaperna som gör dem så användbara, säger Matteo Pasquali , professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid Rice University, som inte var involverad i arbetet. Baughmans metod är i huvudsak att förvandla partiklar till fibrer, säger han. Kemikalier kan lätt röra sig in och ut ur de glesa nanorören och interagera med ytan på partiklarna som fångas inuti.

Pasquali leder ett projekt på Rice som syftar till att göra kol-nanorörfibrer som är mycket täta och därför mycket starka och ledande. Dessa rena nanorörsfibrer skulle så småningom kunna användas som elektriska överföringskablar med låg förlust eller i superstarka strukturella material. När du väl har en fiber kan du väva den, lägga den i en polymer [som glasfiber] eller göra ett tyg, säger Pasquali, som konstaterar att textilbearbetning är relativt låg kostnad.

Baughmans team tillverkade ett batterielektrodtyg med litium-järn-fosfatpulver. Tyget är nästan 99 procent aktivt material, så det kan användas för att göra lätta batterier.

Och självklart, när något kan göras till ett tyg, kan det också bäras.

Yi Cui , docent i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Stanford University, utvecklar också textilbaserade energilagringsenheter. Han tror att bärbara nätaggregat en dag skulle kunna driva vardagsprylar. De viktiga egenskaperna är kostnad, vikt och förmågan att ladda och ladda ur snabbt, och textilelektroder verkar vara idealiska i dessa avseenden. Men de är osannolikt att skala bra för tillämpningar som kräver en hög total energilagringskapacitet, som batterier för elbilar.

Forskarna vid University of Texas planerar att ta projektet i flera riktningar. Förutom att testa olika pulver, experimenterar de med olika sätt att deponera dem.

En dag skulle garnen kunna användas för att producera stora mängder material för strukturell tillverkning. Just nu är det mer förnuftigt att prata om batterier, inte flygplansvingar, på grund av mängden [av material] som krävs, säger Baughman. Hans grupp arbetar med ett fåtal företag för att vidareutveckla garnerna, inklusive kemikalietillverkare Lintech och kol-nanorör textiltillverkare Nanocomp .

Dölj