Spinne Seide-spinnende Technik Schlüssel zur stärkeren Fasern

Imitiert Seide Spinnen spinnen, haben Wissenschaftler eine Art von Nanoröhrchen Faser mit einer unvergleichlichen Kombination aus Stärke, Leitfähigkeit und Flexibilität geschaffen.

Diese leichten, vielseitige Fasern verwendet in der Luft-und Raumfahrt, automotive, Medizintechnik-Industrie sowie die Smart-Kleidung-Märkte finden konnten, sagen Forscher.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen Arehollow Röhren von reinem Kohlenstoff nur Nanometer oder Milliardstel Meter im Durchmesser. Obwohl sie nur über die Breite des einen DNA-Strang sind, sind etwa 100-mal stärker als Stahl und nur ein Sechstel so schwer und ihre leitenden Eigenschaften für beide Strom und Wärme Rivalen die besten Metall Dirigenten ―enthralling Qualitäten, die viel Interesse von den Forschern angezogen haben, da sie im Jahr 1991 entdeckt wurden.

Mit ihren riesigen Potenzial, Kohlenstoff-Nanoröhren sind jedoch extrem schwierig, mit zu arbeiten, und Erstellen von Kohlenstoff-Fasern, die die überraschenden Eigenschaften von Nanotubes selbst behalten erwies sich als höchst anspruchsvollen.

Es gibt zwei Strategien, die Forschern verfolgt haben, um Carbon Nanotube Fasern zu machen. Eine Route, bekannt als die Solid-State-Prozesse beinhaltet unter die trockenen, Hairball-wie Klumpen, die Nanotubes in der Regel bilden und Spinnen Fäden daraus, wie würde man von Kugeln aus Baumwolle. Andererseits, bekannt als nass-Spinnerei, besteht darin, einen Strom von Flüssigkeit enthält die Nanoröhren und gerinnen zu lassen um eine feste Faser zu erstellen, viel die gleiche Weise Spinnen generieren Stränge aus Seide.

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Die Carbonfasern mit die besten mechanischen und leitfähigen Eigenschaften sind theoretisch mit dicht gepackten und perfekt ausgerichtete Nanotubes, wie Stifte in einer Box. Da Solid-State-Prozesse mit verschränkten Massen von Nanotubes zu starten, können die daraus resultierenden Fasern sind oft relativ ungeordnete und lose verpackte und Spinn-Fasern aus dieser Klumpen umständlich und mühsam ist, macht es schwer, bis hin zu industriellen Niveaus.

Trotz dieser Mängel haben Solid-State-Carbon Nanotube Fasern die besten Eigenschaften bisher geliefert, da sie relativ lange Kohlenstoff-Nanoröhren, Messung Millimeter oder mehr verwenden können.

Im Vergleich dazu ist nass Spinnerei relativ einfach, so dass es leicht auf industrieller Ebene skalieren. Es hat auch den Vorteil der meisten sehr geordnet und dichten Nanotube Carbonfasern zu bilden. Jedoch nass Spinnerei lange arbeitet nur mit Kohlenstoff-Nanoröhren über eine halb-Mikrometer lange – das heißt, die Hälfte ein Tausendstel Millimeter lang und etwa 200 Mal kleiner als die Dicke des durchschnittlichen menschlichen Haares. Diese haben mechanische und leitfähige Eigenschaften verglichen mit ihrer längeren Brüder enttäuschend.

"Nanotubes wirklich wie jedes andere, und neigen zu verwickeln und kleben, und wie sie mehr bekommen und mehr, Wechselwirkungen Oberfläche zu, stärker und stärker erhalten, und wenn Sie die Vorteile, die mit der Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren kommen wollen, Sie wollen, dass sie bestellt haben, nicht verstrickt", sagte Forscher Matteo Pasquali, Chemie-Ingenieur an der Rice University in Houston, TechNewsDaily.

Pasquali und seine Kollegen haben jetzt einen Weg nass-Spin-Fasern mit Kohlenstoff-Nanoröhren 10mal länger als zuvor entdeckt.

"Wir haben schließlich eine Nanotube-Faser mit Eigenschaften, die in jedem anderen Material gibt es nicht", sagte Pasquali.

Das Geheimnis der neuen Technik ist die Nanoröhren in eine sehr starke Säure, Chlorosulfonic Säure auflösen. Das zähmt die Oberflächeneigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren, halten relativ lange Kohlenstoff-Nanoröhrchen von Wucherwurzeln zu helfen.

"Ein Student in meinem Labor, Natnael Bahabtu, einfache Wege gefunden, diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu zeigen, was aus Chlorosulfonic Säurelösungen Fasern versponnen werden könnte", sagte Pasquali. "Das war für diesen neuen Prozess von entscheidender Bedeutung."

Die neue Faser, die etwa 10 bis 50 Mikrometer breit ist, enthält Millionen von Nanoröhren nebeneinander verpackt.

"Es sieht aus wie schwarze Baumwollfaden verhält sich aber wie Metalldrähten und starke Carbonfasern," sagte Pasquali.

Die neuen Fasern haben ungefähr 10mal die Zugfestigkeit und elektrischer Leitfähigkeit der besten bereits berichtet nass gesponnen Carbon Nanotube Fasern und 30mal die Wärmeleitfähigkeit. Im Vergleich mit den besten Solid-State-Fasern sind sie über eine Übereinstimmung in Bezug auf Zugfestigkeit, drei-bis fünfmal bessere elektrische Leitfähigkeit und 10mal mehr thermisch leitfähige.

"Neue Carbon Nanotube Fasern eine Annäherung an die von den besten Graphit-Fasern aber mit 10-mal höhere elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit haben", sagte Forscher Marcin Otto, Business Development Manager bei der niederländischen Firma Teijin Aramid. "Graphit-Fasern sind auch spröde, während neue Carbon Nanotube Fasern so flexibel und zäh wie ein Textil-Thread."

Die elektrische Leitfähigkeit der neuen Fasern ist auf Augenhöhe mit Kupfer, Gold und Aluminium Drähte, aber das neue Material ist fester und leichter.

"Metalldrähte brechen werden in Rollen und andere Produktionsmaschinen wenn sie zu dünn sind," sagte Pasquali. "In vielen Fällen sind Multitalente Metalldrähte, die weit [dicker] als erforderlich für die elektrischen Notwendigkeiten, einfach weil es nicht möglich, einen dünneren Draht zu produzieren ist. Datenkabel sind ein besonders gutes Beispiel dafür."

"In der Theorie sollten wir zur Erhöhung der Festigkeit bis zu einem Faktor von 10 bis 30 Mal können; elektrische Leitfähigkeit um den Faktor 10 bis 20 Mal; thermische Leitfähigkeit um den Faktor fünf bis acht Mal,"sagte Pasquali. "Wir hoffen mit länger, perfekter Kohlenstoff-Nanoröhren, möglicherweise diejenigen, die sind alle identisch zueinander und haben die gleiche atomare Konfiguration entlang ihrer Länge und habe nur eine einzelne Wand des Kohlenstoffs Eigenschaften verbessern. Wir hoffen auch, Eigenschaften zu verbessern, indem mehrere Schritte von unseren Spinnverfahren und Nachbearbeitung."

Die Wissenschaftler detailliert ihre Ergebnisse in der Jan. 11-Ausgabe der Zeitschrift Science.

Diese Geschichte wurde von TechNewsDaily, Schwester Website LiveScience zur Verfügung gestellt.