211service.com
Grafen-polymerový kompozit
Rozprostřením malého množství grafenu, jednovrstvé ploché vrstvy uhlíkových atomů, napříč polymery, výzkumníci vytvořili houževnaté a lehké materiály. Kompozity vedou elektřinu a snesou mnohem vyšší teploty než samotné polymery.
Malý, ale tvrdý: Snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu ukazují stovky nanometrů dlouhých grafenových listů, které jsou zapuštěny do polymeru, aby byl tvrdší, tužší, odolnější vůči teplu a elektricky vodivý.
Polymery mohou být naplněny uhlíkovými nanotrubičkami, aby vznikly materiály s podobnými vlastnostmi. Ale grafen by mohl být mnohem levnější. Můžete si koupit [grafit] v sáčcích za dolary za libru, zatímco jednostěnné nanotrubičky stojí stovky dolarů za gram, říká Catherine Brinsonová , profesor strojního inženýrství na Northwestern University, který vedl práci, která byla zveřejněna online v Příroda Nanotechnologie .
Grafen může také vyvolávat méně problémů s toxicitou než uhlíkové nanotrubice. Oddělený Příroda Nanotechnologie studie zjistila, že dlouhé uhlíkové nanotrubice způsobují u myší stejné toxické reakce jako azbest. Obavy je, že uhlíkové nanotrubice by mohly napodobovat azbestová vlákna, která jsou dostatečně tenká, aby pronikla do plic a způsobila rakovinu. Na druhé straně grafen má tloušťku pouze nanometr, říká Lawrence Drzal , ředitel Centra kompozitních materiálů a struktur na Michiganské státní univerzitě. Jsou relativně velké ve dvou dalších dimenzích. Nebudou schopni projít hematoencefalickou bariérou nebo do buněk.
Grafen-polymerové kompozity by byly ideální pro výrobu lehkých benzinových nádrží a plastových nádob, které udrží potraviny čerstvé po celé týdny. Mohly by být také použity k výrobě lehčích, palivově úspornějších letadel a automobilových dílů, stejně jako silnějších větrných turbín, lékařských implantátů a sportovního vybavení. A co víc, jsou to dobré elektrické vodiče a mohly by být použity k výrobě průhledných vodivých povlaků pro solární články a displeje.
Pokrok je součástí širšího výzkumného úsilí o výrobu polymerů s vloženými nanočásticemi. Uhlíková a skleněná vlákna se tradičně používají ke zpevnění polymerů – sklolaminát je běžným příkladem. Na rozdíl od vláken však stačí velmi malé množství nanočástic – méně než 2 procenta objemu kompozitu – k tomu, aby byl polymer pevnější a odolný vůči teplu. Protože se používá méně plniva, kompozit si může zachovat roztažnost nebo průhlednost polymeru.
Jílové nanočástice a uhlíkové nanotrubice jsou silnými uchazeči o použití v polymerních kompozitech. Toyota vyrábí některé díly motoru z jíl-nylonových kompozitů, které jsou pevnější a zvládnou mnohem vyšší teploty než nylon. Polymery naplněné uhlíkovými nanotrubičkami se používají k výrobě baseballových pálek a golfových holí a lze je použít v automobilových součástech, jako jsou kliky a blatníky – díly, které se snáze natírají elektrostaticky, pokud vedou elektřinu. Ale vysoké náklady na výrobu uhlíkových nanotrubic omezily jejich použití.
Grafen by mohl být levnější alternativou. Klíčovým průlomem potřebným k vytvoření hybridu grafenu a polymeru bylo mít správný druh grafenových listů. Výzkumníci potřebovali jednu nebo dvě vrstvy grafenu s několika hydroxylovými skupinami nebo atomy kyslíku houpajícími se na povrchu: ty pomáhají grafenu spojit se s polymerem a rovnoměrně se rozptýlit. Výzkumníci z Princetonské univerzity, kteří jsou spoluautory článku, vyvinuli způsob, jak izolovat takové grafenové listy od oxidu grafitu rychlým rozpínáním materiálu při vysokých teplotách.
Brinson a její kolegové z Northwestern pak našli způsob, jak rovnoměrně rozprostřít grafen v polymeru. V jednom rozpouštědle dispergují grafen a v jiném rozpouštějí polymer. Poté oba smíchají, dokud se grafen rovnoměrně nerozptýlí v polymeru, a odpaří rozpouštědla.
U všech vlastností, které jsme demonstrovali, mají grafenové listy stejnou nebo lepší účinnost než nanotrubice, říká Brinson. Pomocí stejného polymeru vědci vyrobili dva kompozity, jeden obsahující 1 procento hmotnosti uhlíkových nanotrubic a druhý obsahující stejné množství grafenu. Přidáním grafenu do polymeru byl o 80 procent tužší, zatímco uhlíkové nanotrubice jej ztužily o něco více než 50 procent. Grafenový kompozit vydržel o 30 ºC vyšší teploty ve srovnání se samotným polymerem, zatímco uhlíkové nanotrubice teplotní stabilitu nezvýšily.
Materiál Northwestern čelí těžkému konkurentovi. Na základě technologie, kterou vyvinul Drzal z Michiganské státní univerzity, společnost nazvaná East Lansing, MI X G Sciences zakládá pilotní závod na výrobu různých běžných polymerů obsahujících grafenové destičky. Krevní destičky obsahují stohy asi pěti vrstev grafenu, na rozdíl od jednoho listu. Drzal, hlavní vědecký pracovník společnosti, říká, že stohy se během zpracovatelských metod používaných k výrobě plastových výrobků nebudou mačkat ani srolovat. Je to jako když máte jeden papír oproti 10 listům papíru... Stoh papíru je mnohem tužší a robustnější. Jsou také levnější na výrobu, říká. Čím více se dostanete k jednomu listu, tím dražší proces.
Jedním slibným využitím grafenových kompozitů bude výroba palivových nádrží a balení potravin. Molekuly plynu a kapaliny mohou pronikat přes obyčejné polymery, říká Rodney Ruoff z University of Texas v Austinu, který se na práci podílel. Ale grafenové kompozity mohou tvořit nepropustnou bariéru. To znamená, že obložení palivových nádrží udrží výpary a rozptýlí statickou elektřinu. Můžete mít sendviče mimo lednici po dobu šesti měsíců, aniž by kyslík pronikl a oxidoval je, navrhuje Ruoff.