Superstærke kulstof-nanorørfibre

Carbon nanorør spundet for at danne lange garnlignende fibre kunne overgå selv de stærkeste skudsikre materialer på markedet, men at omdanne nanorør til sådanne materialer har vist sig at være en udfordring. Nu siger forskere, at de har forbedret metoden til fremstilling af fibrene: de kan trække dem fra en varm ovn hurtigere, få nanorørene til at justere bedre og forbedre deres styrke betydeligt. Mens kulstof-nanorørfibrene stadig kun kan fremstilles i små partier - og kun i korte længder, siger eksperter - viser fibrene et stort løfte for ultrastærke, elastiske materialer med mulige anvendelser fra panser til olieboring.

Nano ordre: Forskere har forbedret teknikker til at spinde fibre af kulstofnanorør: de får nanorørene til at justere i fiberen, hvilket skaber fibre lige så stærke som eller stærkere end materialer som Kevlar, der bruges i skudsikre veste. Desuden kan nanorørfibrene, i modsætning til almindelige reb, knyttes uden at skade deres styrke meget.

Carbon nanorør er rørlignende kulstofmolekyler med vægge kun et atom tykke. De er ekstremt stærke, elektrisk ledende - og svære at lave pålideligt. Mange forskergrupper har arbejdet for at skabe længere kulstofnanorør og bygge dem ind i længere tråde, der kunne bruges til hårde stoffer og endda effektive elledninger. (Se 10 nye teknologier.)

Alan Windle, professor i materialevidenskab ved University of Cambridge, i England, lavede og testede de nye nanorørfibre sammen med forskere ved Natick Soldier Research Development Center i Massachusetts. Windle og hans kolleger rykkede i nanorørfibrene og fandt ud af, at de svagere knækkede ved spændinger omkring en gigapascal, hvilket gjorde dem sammenlignelige med stål, gram for gram.

De bedre ydende carbon-nanorørfibre knækkede ved omkring seks gigapascal, hvilket slog de styrker, som producenterne rapporterer om materialer, der bruges i skudsikre veste, såsom Kevlar. Disse nanorørfibre matchede de højeste rapporterede styrker for et par af de stærkeste kommercielt tilgængelige fibre, Zylon og Dyneema, også brugt i skudsikre veste. En ensom, ekstremt stærk nanorørfiber var ude af hitlisterne og nåede ni gigapascal stress - langt ud over noget andet rapporteret materiale - før det gik i stykker. Tidligere arbejde med kulstofnanorør har produceret fibre, der højst tåler tre gigapascal.

Multimedier

• Se, hvordan kulstof nanorør bliver spundet til ultrastærk fiber.

Vi er tilfredse med resultaterne, men jeg vil ikke sige, at vi er overraskede, siger Windle. Det er kendt, at egenskaberne af individuelle nanorør stadig er fem gange bedre. Han tilføjer: Det gør mig optimistisk. Der er stadig meget plads til forbedringer.

For at lave fibrene brugte forskerne en metode, som Windles gruppe udviklede i 2004, hvor en ovn fordamper kulstof og blæser en strøm af nanorør ud. Når disse kulstof-nanorør fanges i luften og snurres rundt om en spole, danner de en fiber, der består af milliarder af molekylerne, der er justeret langs længden af ​​nanorøret.

Ved at justere ovnens temperatur og justere, hvor hurtigt de vikler fiberen op, optimerede forskerne processen og gjorde fibre 0,3 gange stærkere end dem, som andre grupper har lavet. Forskerne rapporterer, at forbedringen i høj grad skyldes, at nanorørene ved hurtigere vikling flugter bedre og pakker tættere sammen. De tilføjede også et trin for at gøre fibrene mere tætte. Holdet kørte fibrene gennem acetonegas, som kondenserede på fibrene og dannede en væske. Der er en overfladespændingseffekt, der trækker nanorørene sammen, hvilket øger deres styrke, siger Windle.

Den mest fremadrettede anvendelse er til kropsrustning, siger han. Det ser lovende ud sammenlignet med kommercielt tilgængelige fibre. Men om det vil fungere for kropsrustning, vil ingen rigtig vide, før vi laver nok fibre til at lave et stof og skyde en kugle mod det, siger Windle. En nylig computermodelleringsundersøgelse tyder på, at kugler ville hoppe af et kulstof-nanorørstof, der kun var seks lag tykt.

Edwin Thomas, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved MIT, siger, at hvis test viste, at et sådant stof virkelig afviste kugler, har du en showstopper, og det vil snart være i rustning. Men materialer klarer sig ofte dårligt, når de rammes med pludselige kræfter i modsætning til langsommere træk, tilføjer han. Ingen kender til kulstofnanorør ved høje belastningshastigheder, fordi ingen har tjekket.

En anden anvendelse kunne være olieboring. Da kulstof-nanorørfibre ikke kun er stærke, men også modstår varme og korrosion, kunne de bruges i borekroner eller rør til at klare disse ekstreme miljøer, siger Thomas.

Thomas advarer dog om, at Windle og hans kolleger fik deres bedste resultater for fibre omkring en millimeter lange, tilsyneladende fordi jo længere strengen er, jo mere sandsynlig er det, at det indeholder små bidder af kulstof og andre defekter, der svækker den. At tilpasse behandlingen - opviklingshastigheden og acetonebehandlingen - vil ikke ændre kulstofpartiklerne, siger Thomas. De er nødt til at gå tilbage til den kemiske syntese for at løse det.

For at hæren kan være interesseret i det, vil de gerne have kilometer af det, siger han. Ikke desto mindre giver de nye resultater ham masser af håb.

skjule