211service.com
Nanorørkabler ramte en milepæl: Så godt som kobber
For første gang har forskere lavet kulstof-nanorør elektriske kabler, der kan føre lige så meget strøm som kobbertråde. Disse nanorørkabler kunne hjælpe med at føre mere vedvarende energi længere ud i elnettet, give letvægtsledninger til mere brændstofeffektive køretøjer og fly og lave forbindelser i computerchips med lav effekt. Forskere ved Rice University har nu demonstreret kulstof-nanorør-kabler i et praktisk system og designer en produktionslinje til kommerciel produktion.
Nanoteknologi skinner: Rice University-forsker Yao Zhao demonstrerer en opsætning, der bruger et carbon nanorør-kabel til at føre standard elektrisk strøm til en fluorescerende pære.
At gøre lette, effektive carbon nanorørledninger lige så ledende som kobber har været et mål for nanoteknologer siden 1980'erne. Individuelle kulstofnanorør - hule nanoskalarør af rent kulstof - er mekanisk stærke og en størrelsesorden mere ledende end kobber. Men medmindre kulstof-nanorør er sat sammen, har større strukturer lavet af dem ikke de individuelle rørs superlative egenskaber.
Års manipulation i laboratoriet for at finde de rigtige monteringsteknikker og ingredienser har gjort det muligt for forskere ledet af professorer i rismaterialevidenskab Pulickel Ajayan og Enrique Barrera for endelig at lave carbon nanorørkabler lige så gode som kobberkabler. Gruppens nanokabler kan prale af en kombination af egenskaber, der hidtil er uden fortilfælde. De er mekanisk stærke, men alligevel fleksible nok til at blive knyttet eller vævet sammen til lange trådlængder. De bærer omkring 100.000 ampere strøm pr. kvadratcentimeter materiale, omtrent det samme som kobbertråde, men vejer en sjettedel så meget. De udkonkurrerer kobber på en metrik kaldet strømtæthed, hvilket betyder, at de burde være i stand til at transportere mere elektricitet over længere afstande uden at miste energi til varme - et problem med nutidens elnet og med computerchips. Og fordi de er lavet af kulstof, ikke metal, korroderer de ikke.
Carbon nanorør varierer i deres ledningsevne, længde og antal lag. Rice-gruppen fandt ud af, at det, der virkede bedst, var relativt lange, dobbeltvæggede nanorør leveret af samarbejdspartnere fra Tsinghua University i Beijing. Elektroner bevæger sig meget hurtigt gennem individuelle nanorør, men strømmen bremses, når elektronerne skal hoppe fra nanorør til nanorør. Jo længere nanorørene er, jo færre sådanne spring skal elektronerne foretage i en given trådlængde.
Processen med at lave nanokabler begynder med en klump af dobbeltvæggede nanorør, der er blevet behandlet for at fjerne urenheder. Forskerne tilføjer svovlsyre til nanorørene, så de kan sprede dem til en tynd film. De tager derefter fat i kanten af filmen med en pincet for at begynde at lave en fiber og trækker med en konstant kraft for at give et langt kabel - svarende til hvordan uldgarn fremstilles ved at trække og vride fleece. De skyller syren fra kablet og udsætter det for joddampe ved høje temperaturer. Jodet trænger ind i nanorørene i kablet og øger kablets ledningsevne uden at gå på kompromis med dets mekaniske egenskaber. Og Rice-gruppen har vist, at ledningsevnen ikke påvirkes, når kablerne bindes sammen for at lave større længder.
For at demonstrere, at kabler lavet på denne måde kan overføre en standard netspænding, brugte de en til at tilslutte en lysstofrør til en stikkontakt og lod lyset tænde i dagevis. Dette arbejde er beskrevet online i tidsskriftet Naturvidenskabelige rapporter .
Nano kabel: Dette kabel, lavet af kulstof nanorør, kan bære lige så meget elektrisk strøm som en kobbertråd.
Det er et vidnesbyrd om, hvor modne disse materialer er ved at blive, at de er i stand til at måle ledningsevner, der nu overstiger almindelige metaller, siger Michael Strange , en professor i kemiteknik ved MIT, som ikke var involveret i arbejdet. At overgå metaller, siger han, repræsenterer en milepæl.
Dette er meget spændende, især i betragtning af den enorme betydning af at reducere vægten af [elektriske] kabler i fly og biler for at forbedre brændstofeffektiviteten, siger Ray Baughman , direktør for NanoTech Institute og professor i kemi ved University of Texas i Dallas. Baughman var ikke involveret i arbejdet.
Luftfartsgiganten Boeing er blandt de virksomheder, der støtter Rice-gruppen. Andre samarbejdspartnere og støtter inkluderer Chevron, det amerikanske energiministerium og NanoRidge materialer af Houston.
Målet er at lave et konstrueret produkt, siger Rice's Barrera. Vi tror på, at det, vi har været i stand til at gøre, er skalerbart til kontinuerlige produktionsmetoder. Gruppen har kortlagt, hvordan dette ville blive gjort på en produktionslinje og undersøger i øjeblikket kommercialisering med forskellige virksomheder, selvom de ikke har afsløret nogen aftaler.
Selvom kablerne nu er gode nok til at begynde at tænke seriøst på kommercielle applikationer, ønsker Ajayan at gøre dem endnu bedre. Ajayan bemærker, at de indtil videre kun har testet de dobbeltvæggede kablers evne til at føre vekselstrøm. Elektricitet transmitteres over lange afstande i form af vekselstrøm. Et separat mål, siger Ajayan, er at gøre kablerne endnu mere ledende end kobber. En måde at gøre dette på er at lave brugbare kabler af enkeltvæggede kulstofnanorør, som i sagens natur er mere ledende, men som har været svære at spinde til fibre.