Nanovamzdiniai pluoštai

Ryžių universiteto laboratorijoje žmogaus plauko skersmens juodas pluoštas susivynioja į eterio stiklinę. Iš grynų nanovamzdelių sudaryta juosta yra beveik dešimtmetį trukusių eksperimentų kulminacija. Chemijos inžinierius Matteo Pasquali ir jo kolegos nanovamzdelius susuko į kelių šimtų metrų ilgio pluoštus, įrodydami, kad galima sukurti komerciškai naudingų gamybos metodų, leidžiančių gaminti makroskopines medžiagas iš šių cilindrinių grynos anglies molekulių.

Chemijos inžinierius Matteo Pasquali, kuris sukasi anglies nanovamzdelius į pluoštus savo laboratorijoje Rice universitete Hiustone.

Padaryti anglies nanovamzdelius į pluoštus buvo ypatinga velionio Rice'o profesoriaus Richardo Smalley, kuris 1996 m. gavo Nobelio premiją chemijos srityje, svajonė už sferinių anglies molekulių, vadinamų buckyballs, atradimą. Atskiri nanovamzdeliai turi nepaprastų savybių: jie yra lengvi, stiprūs ir gali būti laidūs elektrai. Tačiau surinkti juos į dideles konstrukcijas su šiomis savybėmis buvo sunku.

Ši istorija buvo mūsų 2010 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

2001 m. Smalley pradėjo bandyti naudoti skysčių apdorojimą, kad susuktų anglies nanovamzdelius į pluoštus, kurie išlaikė elektrines ir mechanines vamzdžių savybes kilometro ilgio – idėja, kuri, kaip jis pripažino, buvo tikrai beprotiška ekstremali. (žr. Wires of Wonder, 2001 m. kovas) . Tokie pluoštai būtų stipresni už plieną ir laidesni už varį. Smalley įsivaizdavo juos įaustus į kabelius, kurie galėtų efektyviai tiekti elektrą iš atokių vėjo ir saulės elektrinių į apgyvendintas vietoves, neprarandant energijos šilumai. Pasquali, kuris buvo projekto dalis nuo pat pradžių ir perėmė jį po Smalley mirties 2005 m., pripažįsta, kad jis pradėjo skeptikas. Maniau, kad tai visiška beprotybė, nes anglies nanovamzdeliai netirpsta skysčiuose – ir aš esu skystas žmogus, sako jis.

Kiti tyrėjai iš sausų nanovamzdelių pagamino makroskopinius pluoštus, ištraukdami juos iš vertikalių matricų arba sukdami kaip vilną, kai jie išeina iš reaktoriaus. Tačiau atskiri nanovamzdeliai šiuose pluoštuose nesutampa, o tinkamas lygiavimas yra labai svarbus: susipainiojusios molekulių masės prastai perneša elektrą ir nėra stiprios. Pasquali žinojo, kad į tirpalą įtraukti nanovamzdeliai išsirikiuos kaip rąstai, plūduriuojantys upe, todėl susidarys gerai sutvarkyti pluoštai.

Grupė patyrė persilaužimą 2004 m., kai samprotavo, kad kevlaro pluošto, neperšaunamų liemenių komponento, gamybos metodai taip pat gali būti naudojami su nanovamzdeliais. Kaip ir nanovamzdeliai, kevlaro polimeras yra ilgas, plonas ir sunkiai tirpsta tirpale; pluoštai gaminami maišant polimerą su sieros rūgštimi, o tada tirpalą išleidžiant per adatas, sugrupuotas kaip dušo galvutės skyles.

Ryžių tyrėjams pavyko ištirpinti tik nedidelį kiekį nanovamzdelių naudojant sieros rūgštį. Bet kai jie naudojo chlorosulfono rūgštį – vadinamąją superrūgštį – į tirpalą galėjo patekti didelės koncentracijos nanovamzdelių. Vamzdžiai sudaro skystąjį kristalą, kuriame jie jau yra išlyginti – didžiulis pranašumas juos paverčiant pluoštais.

Sukant liniją

Pasquali grupė pradeda sukimosi procesą nuo vienos sienelės nanovamzdelių, pagamintų netoliese esančioje laboratorijoje, naudojant procesą, kurį iš pradžių sukūrė Smalley. Aukšto slėgio reaktoriuje, kurio temperatūra siekia 1000 °C, anglies monoksidas užsidega ant gryno geležies katalizatoriaus lašelių ir suyra. Iš anglies atomų susidaro maždaug nanometro skersmens ir kelių šimtų nanometrų ilgio tuščiaviduriai cilindrai. Šie nanovamzdeliai iš reaktoriaus išnyra puriais juodais dreifais; jie laikomi penkių galonų kibiruose, sukrautuose prie lubų, kurių kiekvienas talpina vos 200 gramų.

Šiame reaktoriuje pagamintuose nanovamzdiuose yra geležies pėdsakų, kurie turi būti pašalinti prieš vamzdžius paverčiant pluoštais. Absolventas Colinas Youngas užpildo stiklinę kamerą nanovamzdeliais, kurie krosnyje buvo apdoroti deguonimi, kad oksiduotų geležį, kad ji būtų tirpi. Dūmų gaubto viduje jis pritvirtina kamerą virš druskos rūgšties kolbos. Jis įjungia šildymo bloką po rūgštimi, kad užvirtų. Kondensuodamas ir lašėdamas ant nanovamzdelių, rūgštis ištirpdo geležį; vamzdeliai lieka nepaliesti.

Po rūgšties dušo abiturientas Natnaelis Behabtu įkelia nanovamzdelius ir chlorosulfonrūgštį į nerūdijančio plieno vamzdelį su stūmokliais, kurie tolygiai trina nanovamzdelius viena kryptimi, kad paskatintų juos išsirikiuoti. Gautas klampus tirpalas yra 8 procentai skystųjų kristalų nanovamzdelių masės.

Tada jis atima pusę kameros ir vieną iš stūmoklių su ja ir pakeičia dalimi, kurioje sumontuota besisukanti adata. Stūmoklis stumia skystį per stiklinį filtrą (kuris apsaugo nuo užsikimšimo), į adatą ir išleidžia į dietilo eterio vonią. Rūgštis tirpsta eteryje, bet nanovamzdeliai ne, todėl gaunamas grynas nanovamzdelio pluoštas, kurio skersmuo yra 50–100 mikrometrų ir ilgis yra daug metrų.

matuojantis

Siekdamas išmatuoti pluošto atsparumą tempimui, Young naudoja klijus trumpam pluošto ilgiui klijuoti ant kartoninio rėmo. Jis suspaudžia jį į metalinius streso testerio spaustukus, nupjauna rėmą ir traukia pluoštą iš abiejų galų, kol jis nutrūks. Šiuo metu pluoštai gali atlaikyti apie 350 megapaskalių slėgį, kol sugenda – šiek tiek mažiau nei žmogaus plaukas, kuris laikomas gana tvirtu dėl savo skersmens.

Pluošto stiprumas priklauso nuo trinties, susidariusios ten, kur sąveikauja nanovamzdelių paviršiai. Ilgesni nanovamzdeliai sukuria didesnę trintį, taigi ir stipresnius pluoštus. Ryžių nanovamzdeliai, kuriuos Pasquali naudoja patogumo sumetimais, yra palyginti trumpi. Tačiau jis tiria partnerystę su pluošto verpimo įmonėmis ir anglies nanovamzdelių gamintojais, kurie gali suteikti papildomos verpimo patirties ir ilgesnių nanovamzdelių. Pasquali tikisi galiausiai padidinti pluošto atsparumą tempimui daugiau nei dešimt kartų.

Vis dar yra viena pagrindinė kliūtis įgyvendinti Smalley svajonę panaudoti nanovamzdelius elektros tinklui perdaryti. Pasquali skaidulų elektrinė varža yra 120 mikroohm/centimetre, maždaug aštuonis kartus didesnė nei varinių laidų. Priežastis ta, kad kiekvienas nanovamzdelių auginimo metodas lemia laidžiųjų ir puslaidininkių versijų derinį. Kad nanovamzdelių pluoštai turėtų pakankamai srovės, kad išstumtų varį, jie turi būti sudaryti tik iš laidžių nanovamzdelių. „Rice“ grupė planuoja gaminti pluoštus iš laidžių nanovamzdelių, atskirtų nuo nelaidžių vamzdelių, kad nustatytų, ar toks laidumas yra įmanomas. Tačiau šiandieninis rūšiavimo procesas daro nanovamzdelius per brangius naudoti elektrai.

Tačiau Pasquali išlieka optimistiškai nusiteikęs, kad šis antrasis iššūkis bus įveiktas, kaip ir jis išsprendė nanovamzdelių sukimo į ilgus pluoštus problemą. Ir jis įsitikinęs, kad kai taip yra, stiprūs, lengvi nanovamzdelių laidai pagaliau gali pakeisti sunkius ir neefektyvius plienu sutvirtintus aliuminio kabelius, naudojamus šiandieniniame elektros tinkle, kaip įsivaizdavo Smalley.

paslėpti