Nanorør fibre

I et Rice University-laboratorium spoler en sort fiber med diameteren af ​​et menneskehår ind i et bæger med æter. Består af rene nanorør, strengen er kulminationen på næsten et årti med eksperimentering. Kemisk ingeniør Matteo Pasquali og hans kolleger har spundet nanorør til fibre flere hundrede meter lange, hvilket beviser, at kommercielt nyttige fremstillingsteknikker kan udvikles til at fremstille materialer i makroskala ud fra disse cylindriske molekyler af rent kulstof.

Kemisk ingeniør Matteo Pasquali, der spinder kulstofnanorør til fibre i sit laboratorium på Rice University i Houston.

At lave kulstofnanorør til fibre var en særlig drøm for den afdøde risprofessor Richard Smalley, som delte 1996 Nobelprisen i kemi for sin opdagelse af de sfæriske kulstofmolekyler kaldet buckyballs. Individuelle nanorør har bemærkelsesværdige egenskaber: de er lette, de er stærke, og de kan være elektrisk ledende. Men det har været svært at samle dem til store strukturer med disse egenskaber.

Denne historie var en del af vores maj 2010-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I 2001 begyndte Smalley at forsøge at bruge væskebearbejdning til at spinde kulstofnanorør til fibre, der bibeholdt rørenes elektriske og mekaniske egenskaber over kilometers længde - en idé, som, indrømmede han, var virkelig sindssyg ekstrem. (se Wires of Wonder, marts 2001) . Sådanne fibre ville være stærkere end stål og mere ledende end kobber. Smalley forestillede sig dem vævet ind i kabler, der effektivt kunne transportere elektricitet fra fjerntliggende vind- og solfarme til befolkede områder - uden at miste energi til varme. Pasquali, som var en del af projektet fra begyndelsen og tog over efter Smalleys død i 2005, erkender, at han startede som skeptiker. Jeg troede, at det var fuldstændig vanvid, for kulstofnanorør er ikke opløselige i væske - og jeg er en flydende fyr, siger han.

Andre forskere har lavet makroskalafibre fra tørre nanorør, trukket dem fra lodrette arrays eller spindet dem som uld, når de kommer ud af en reaktor. Men de individuelle nanorør i disse fibre hænger ikke sammen, og korrekt justering er kritisk: sammenfiltrede masser af molekylerne bærer ikke elektricitet godt, og de er ikke stærke. Pasquali vidste, at nanorør, der blev bragt i opløsning, ville stille sig op som træstammer, der flyder ned ad en flod, hvilket resulterer i velordnede fibre.

Gruppen fik et gennembrud i 2004, da de ræsonnerede, at de metoder, der bruges til at fremstille Kevlar-fibre, en komponent i skudsikre veste, også kunne fungere med nanorør. Ligesom nanorør er Kevlar-polymeren lang, tynd og svær at opløse i opløsning; fibrene fremstilles ved at blande polymeren med svovlsyre og derefter skyde opløsningen gennem nåle grupperet som hullerne i et brusehoved.

Ris-forskerne formåede kun at opløse små mængder nanorør ved hjælp af svovlsyre. Men når de brugte chlorsulfonsyre - en såkaldt supersyre - kunne de få høje koncentrationer af nanorør i opløsning. Rørene danner en flydende krystal, hvori de allerede er justeret - en enorm fordel ved at gøre dem til fibre.

Spinder en linje

Pasqualis gruppe starter sin spindeproces med enkeltvæggede nanorør lavet i et nærliggende laboratorium ved hjælp af en proces, der oprindeligt er udviklet af Smalley. I en højtryksreaktor, hvor temperaturen når 1.000 °C, tænder kulilte på dråber af ren jernkatalysator og nedbrydes. Kulstofatomerne bygges op til hule cylindre omkring en nanometer i diameter og et par hundrede nanometer lange. Disse nanorør kommer ud af reaktoren i bløde sorte drifter; de opbevares i spande på fem gallon stablet til loftet, der hver kun rummer 200 gram.

Nanorør fremstillet i denne reaktor indeholder spor af jern, som skal fjernes, før rørene kan omdannes til fibre. Kandidatstuderende Colin Young fylder et glaskammer med nanorør, der er blevet behandlet med ilt i en ovn for at oxidere jernet, hvilket gør det opløseligt. Inde i et stinkskab fastgør han kammeret over en kolbe med saltsyre. Han tænder for en varmeblok under syren for at koge den. Når det kondenserer og drypper ned på nanorørene, opløser syren jernet; rørene efterlades uberørte.

Efter deres syrebruser læsser kandidatstuderende Natnael Behabtu nanorørene og chlorsulfonsyren i et rustfrit stålrør udstyret med stempler, der gnider nanorørene ensartet i en enkelt retning for at tilskynde dem til at stille op. Den resulterende viskøse opløsning er 8 procent flydende krystal nanorør efter vægt.

Han løsner derefter halvdelen af ​​kammeret og et af stemplerne med det, og erstatter det med en del, der er blevet udstyret med en snurrende nål. Stemplet skubber væsken gennem et glasfilter (som forhindrer tilstopning), ind i nålen og ud i et ventende bad af diethylether. Syren er opløselig i æteren, men det er nanorørene ikke, så resultatet er en ren nanorørfiber, 50 til 100 mikrometer i diameter og mange meter lang.

måler op

For at måle fibrenes trækstyrke bruger Young lim til at klæbe en kort fiberlængde på en papramme. Han klemmer dette fast i metalspændene på en stresstester, skærer rammen over og trækker fiberen fra hver ende, indtil den går i stykker. Fibrene kan i øjeblikket modstå omkring 350 megapascals tryk, før de svigter - lidt mindre end et menneskehår, som anses for at være ret stærkt for dets diameter.

Fibrenes styrke afhænger af friktionen, der genereres, hvor nanorøroverflader interagerer. Længere nanorør genererer mere friktion og dermed stærkere fibre. Ris nanorørene – som Pasquali bruger for nemheds skyld – er relativt korte. Men han udforsker partnerskaber med fiberspinningsvirksomheder og kulstof-nanorør-producenter, som kan give yderligere spindeekspertise og længere nanorør. Pasquali håber i sidste ende at øge fibrenes trækstyrke mere end tidoblet.

Der er stadig en stor hindring for at realisere Smalleys drøm om at bruge nanorør til at ombygge det elektriske net. Pasqualis fibre har en elektrisk modstand på 120 mikroöhms per centimeter, omkring otte gange større end kobbertrådes. Årsagen er, at enhver metode til dyrkning af nanorør resulterer i en blanding af ledende og halvledende versioner. For at nanorørfibre skal bære nok strøm til at fortrænge kobber, skal de udelukkende bestå af ledende nanorør. Rice-gruppen planlægger at lave fibre fra ledende nanorør adskilt fra de ikke-ledende rør for at afgøre, om sådanne ledningsevner er mulige. Men nutidens sorteringsproces gør nanorørene for dyre til brug i elektrisk transmission.

Pasquali er dog fortsat optimistisk, at denne anden udfordring vil blive overvundet, ligesom han løste problemet med at spinde nanorør til lange fibre. Og han er sikker på, at når det er tilfældet, kan stærke, lette nanorørledninger endelig erstatte de tunge og ineffektive stålforstærkede aluminiumskabler, der bruges i nutidens elnet, præcis som Smalley forestillede sig.

skjule