Superstarka kol-nanorörsfibrer

Kolnanorör spunnet för att bilda långa garnliknande fibrer skulle kunna överträffa även de starkaste skottsäkra materialen på marknaden, men att förvandla nanorör till sådana material har visat sig vara en utmaning. Nu säger forskare att de har förbättrat metoden för att tillverka fibrerna: de kan dra dem från en varm ugn snabbare, få nanorören att ställa in bättre och förbättra deras styrka avsevärt. Medan kol-nanorörfibrerna fortfarande bara kan tillverkas i små partier - och bara i korta längder, säger experter - visar fibrerna ett stort löfte för ultrastarka, fjädrande material, med möjliga tillämpningar från pansar till oljeborrning.

Nano order: Forskare har förbättrade tekniker för att spinna fibrer av kolnanorör: de får nanorören att passa in i fibern, vilket skapar fibrer lika starka som eller starkare än material som Kevlar som används i skottsäkra västar. Dessutom kan nanorörsfibrerna, till skillnad från vanliga rep, knytas utan att skada deras styrka mycket.

Kolnanorör är rörliknande kolmolekyler med väggar bara en atom tjocka. De är extremt starka, elektriskt ledande - och svåra att tillverka på ett tillförlitligt sätt. Många forskargrupper har slitit för att skapa längre kolnanorör och bygga upp dem till längre trådar som kan användas för tuffa tyger och till och med effektiva kraftledningar. (Se 10 nya teknologier.)

Alan Windle, professor i materialvetenskap vid University of Cambridge, i England, tillverkade och testade de nya nanorörsfibrerna tillsammans med forskare vid Natick Soldier Research Development Center i Massachusetts. Windle och hans kollegor drog i nanorörsfibrerna och upptäckte att de svagare bröt vid spänningar runt en gigapascal, vilket gjorde dem jämförbara med stål, gram för gram.

De bättre presterande kol-nanorörfibrerna gick sönder vid cirka sex gigapascal, vilket slog styrkorna som tillverkarna rapporterar för material som används i skottsäkra västar, som Kevlar. Dessa nanorörsfibrer matchade de högsta rapporterade styrkorna för ett par av de starkaste kommersiellt tillgängliga fibrerna, Zylon och Dyneema, som också används i skottsäkra västar. En ensam, extremt stark nanorörsfiber var borta från listorna och nådde nio gigapascal stress – långt utöver något annat rapporterat material – innan den gick sönder. Tidigare arbete med kolnanorör har gett fibrer som tål högst tre gigapascal.

Multimedia

• Se hur kolnanorör snurras till ultrastark fiber.

Vi är nöjda med resultatet, men jag skulle inte säga att vi är förvånade, säger Windle. Det är känt att egenskaperna hos enskilda nanorör fortfarande är fem gånger bättre. Han tillägger: Detta gör mig optimistisk. Det finns fortfarande ett stort utrymme för förbättringar.

För att tillverka fibrerna använde forskarna en metod som utvecklades av Windles grupp 2004, där en ugn förångar kol och blåser ut en ström av nanorör. När dessa kolnanorör fångas i luften och snurras runt en spole bildar de en fiber som består av miljarder av molekylerna som är inriktade längs nanorörets längd.

Genom att justera temperaturen i ugnen och justera hur snabbt de lindar upp fibern, optimerade forskarna processen och gjorde fibrerna 0,3 gånger starkare än de som andra grupper har gjort. Forskarna rapporterar att förbättringen till stor del beror på att med snabbare lindning, anpassas nanorören bättre och packas ihop tätare. De lade också till ett steg för att göra fibrerna tätare. Teamet körde fibrerna genom acetongas, som kondenserade på fibrerna och bildade en vätska. Det finns en ytspänningseffekt som drar ihop nanorören, vilket ökar deras styrka, säger Windle.

Den mest framstående applikationen är för kroppsskydd, säger han. Det ser lovande ut jämfört med kommersiellt tillgängliga fibrer. Men om det kommer att fungera för kroppsskydd kommer ingen riktigt att veta förrän vi gör tillräckligt med fibrer för att göra ett tyg och skjuta en kula på det, säger Windle. En nyligen genomförd datormodelleringsstudie tyder på att kulor skulle studsa av ett kol-nanorörstyg bara sex lager tjockt.

Edwin Thomas, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid MIT, säger att om tester visade att sådant tyg verkligen stötte bort kulor, så har du en showstopper, och den kommer snart att vara i kroppsrustning. Men material klarar sig ofta inte bra när de träffas med plötsliga krafter i motsats till långsammare ryck, tillägger han. Ingen känner till kolnanorör vid höga påkänningshastigheter, eftersom ingen har kollat.

En annan tillämpning kan vara oljeborrning. Eftersom kol-nanorörfibrer inte bara är starka, utan även motstår värme och korrosion, skulle de kunna användas i borrkronor eller rör för att klara av dessa extrema miljöer, säger Thomas.

Thomas varnar dock för att Windle och hans kollegor fick sina bästa resultat för fibrer som är ungefär en millimeter långa, tydligen för att ju längre tråden är, desto mer sannolikt är det att det innehåller små bitar av kol och andra defekter som försvagar den. Att justera bearbetningen – avvecklingshastigheten och acetonbehandlingen – kommer inte att förändra kolhaltiga partiklar, säger Thomas. De måste gå tillbaka till den kemiska syntesen för att ta itu med det.

För att armén ska vara intresserad av det skulle de vilja ha kilometer av det, säger han. Ändå ger de nya resultaten honom massor av hopp.

Dölj