211service.com
Grafen-polymer komposit
Ved at sprede en lille mængde grafen, et enkelt-lags fladt ark af kulstofatomer, gennem polymerer, har forskere lavet hårde, lette materialer. Kompositterne leder elektricitet og kan modstå meget højere temperaturer end polymererne alene.
Lille men hård: Billeder fra et scanningselektronmikroskop viser hundredvis af nanometer lange grafenark, der er indlejret i en polymer for at gøre den sejere, stivere, mere varmebestandig og elektrisk ledende.
Polymerer kan infunderes med carbon nanorør for at lave materialer med lignende egenskaber. Men grafen kunne være meget billigere. Du kan købe [grafit] i poser for dollars et pund, mens enkeltvæggede nanorør koster hundredvis af dollars pr. gram, siger Catherine Brinson , en mekanisk ingeniørprofessor ved Northwestern University, der ledede arbejdet, som blev offentliggjort online i Natur nanoteknologi .
Grafen kan også give anledning til færre toksicitetsbekymringer end kulstofnanorør. En separat Natur nanoteknologi undersøgelse har fundet ud af, at lange kulstofnanorør forårsager de samme toksiske reaktioner hos mus som asbest. Bekymringen er, at kulstofnanorør kan efterligne asbestfibre, som er tynde nok til at trænge ind i lungerne og forårsage kræft. Grafen er på den anden side kun en nanometer i tykkelse, siger Lawrence Drzal , direktør for Composite Materials and Structures Center ved Michigan State University. De er relativt store i to andre dimensioner. De vil ikke være i stand til at gå gennem blod-hjernebarrierer eller ind i celler.
Grafen-polymer-kompositter ville være ideelle til fremstilling af lette benzintanke og plastikbeholdere, der holder maden frisk i ugevis. De kunne også bruges til at lave lettere, mere brændstofeffektive fly- og bildele samt stærkere vindmøller, medicinske implantater og sportsudstyr. Desuden er de gode elektriske ledere og kan bruges til at lave gennemsigtige ledende belægninger til solceller og skærme.
Fremskridtet er en del af en bredere forskningsindsats for at lave nanopartikel-indlejrede polymerer. Kul- og glasfibre er traditionelt blevet brugt til at styrke polymerer - glasfiber er et almindeligt eksempel. I modsætning til fibre er en meget lille mængde nanopartikler - mindre end 2 procent af komposittens volumen - dog nok til at gøre polymeren stærkere og varmebestandig. Fordi der bruges mindre fyldstof, kan kompositten bevare polymerens strækbarhed eller gennemsigtighed.
Lernanopartikler og kulstofnanorør er stærke konkurrenter til brug i polymerkompositter. Toyota laver nogle motordele af ler-nylon-kompositter, som er stærkere og kan klare meget højere temperaturer, end nylon kan. Kulstof-nanorør-infunderede polymerer bruges til at lave baseballbat og golfkøller, og de kan bruges i bildele såsom håndtag og fendere - dele, der er nemmere at male elektrostatisk, hvis de leder elektricitet. Men de høje omkostninger ved fremstilling af kulstof nanorør har begrænset deres brug.
Grafen kunne være et billigere alternativ. Det vigtigste gennembrud, der var nødvendigt for at lave grafen-polymer-hybriden, var at have den rigtige slags grafenplader. Forskerne havde brug for et eller to lag grafen med nogle få hydroxylgrupper eller oxygenatomer dinglende på overfladen: disse hjælper grafen med at forbinde til polymeren og spredes jævnt. Forskere ved Princeton University, som er medforfattere til papiret, udviklede en måde at isolere sådanne grafenplader fra grafitoxid ved at udvide materialet hurtigt ved høje temperaturer.
Brinson og hendes kolleger på Northwestern fandt derefter en måde at fordele grafenet i polymeren jævnt på. De dispergerer grafen i et opløsningsmiddel og opløser polymeren i et andet. Derefter blander de de to, indtil grafen er jævnt fordelt i polymeren, og de fordamper opløsningsmidlerne.
For alle de egenskaber, vi demonstrerede, præsterer grafenpladerne lige eller bedre end nanorør, siger Brinson. Ved at bruge den samme polymer lavede forskerne to kompositter, det ene indeholdt 1 vægtprocent kulstofnanorør, og det andet indeholdt den samme mængde grafen. Tilføjelse af grafen til polymeren gjorde den 80 procent stivere, mens kulstofnanorør gjorde den lidt mere end 50 procent stivere. Grafenkompositten kunne modstå 30 ºC højere temperaturer sammenlignet med polymeren alene, mens kulstofnanorør ikke øgede temperaturstabiliteten.
Northwestern-materialet står over for en hård konkurrent. Baseret på teknologi, som Michigan State Universitys Drzal udviklede, kaldte et firma i East Lansing, MI X G Videnskaber opretter et pilotanlæg til fremstilling af forskellige almindelige polymerer indeholdende grafen-blodplader. Blodpladerne indeholder stakke af omkring fem lag grafen i modsætning til et enkelt ark. Drzal, virksomhedens chefforsker, siger, at stakke ikke vil krølle eller rulle sammen under de forarbejdningsmetoder, der bruges til at fremstille plastprodukter. Det er ligesom når du har et enkelt papir i forhold til 10 ark papir ... Stakken er meget stivere og mere robust. De er også billigere at producere, siger han. Jo mere du får i retning af enkelt ark, jo dyrere bliver processen.
En lovende anvendelse af grafenkompositter vil være at lave brændstoftanke og fødevareemballage. Gas- og væskemolekyler kan trænge gennem almindelige polymerer, siger Rodney Ruoff fra University of Texas i Austin, som var involveret i arbejdet. Men grafenkompositter kan danne en uigennemtrængelig barriere. Det betyder, at brændstoftankens foringer holder dampe inde og spreder statisk elektricitet. Du kan opbevare sandwich uden for køleskabet i seks måneder uden at ilt trænger igennem og oxiderer [dem], foreslår Ruoff.