In naher Zukunft wird erwartet, dass Kohlenstoff Metalle bei vielen Anwendungen von Herstellungsgütern ersetzt. Es könnte sogar verwendet werden, um intelligente Kleidung zu entwickeln, die ein Mobiltelefon aufladen kann.

Um sich auf eine Kohlenstoff - Renaissance vorzubereiten, arbeiten die Ingenieure der Nanowelt Laboratories an der Universität von Cincinnati (UC) haben sich mit der Wright-Patterson Air Force Base (WPAFB) zusammengeschlossen um die Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu verbessern.

"Kohlenstoffbasierte Materialien werden in Zukunft voraussichtlich schwere und teure metallbasierte Materialien in Anwendungen ersetzen", sagte Vesselin Shanov, Professor für Chemie- und Werkstofftechnik an der UC und Co-Direktor des Nanoworld Lab.

Kohlenstoff-Nanoröhren sind nur ein Sechstel so schwer wie Stahl und über 100 mal stärker. Sie haben viele elektronische, mechanische und magnetische Eigenschaften, wodurch sie in der Herstellung breit anwendbar sind.

Kohlenstoff-Nanoröhren werden verwendet, um Kupferdraht in Flugzeugen und Autos zu ersetzen, Wasser zu filtern, biometrische Sensoren zu entwickeln, die Menschen über ihren Körper informieren können, und vieles mehr.

"In der Vergangenheit dominierten Metalle die Herstellung von Waren" Mark Schulz, ein Professor für Maschinenbau an der UC und Co-Direktor des Nanowelt Lab, sagte in einer Erklärung.

"Ich denke jedoch, dass Kohlenstoff in vielen Anwendungen Metalle ersetzen wird. Es wird eine neue Kohlenstoffära geben - eine Kohlenstoffrevolution. "

Aber bevor Kohlenstoff Metalle in der Produktion effektiv ersetzen kann, ist viel Forschung nötig.

Nun profitieren die 30-Absolventen und Studenten des Nanoworld Lab von den hochmodernen Einrichtungen des WPAFB.

"Wir glauben, dass dank der bestehenden Synergien zwischen den Partnerinstitutionen neues fundamentales Wissen bezüglich der Synthese, Charakterisierung und Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen generiert wird", sagte Shanov.

Aufgrund der Partnerschaft laufen die notwendigen Forschungsarbeiten.

Die Forschung

Mark Haase, ein Student an der UC, hat das vergangene Jahr damit verbracht, die hochentwickelte Ausrüstung des WPAFB-Forschungslabors zu nutzen, um Anwendungen für Kohlenstoff-Nanoröhren zu erforschen. Er benutzt die Ausrüstung, um auch seinen Klassenkameraden zu helfen.

"Das treibt uns an, in Gruppen zu arbeiten und uns zu spezialisieren. Das ist die gleiche Dynamik, die wir in der Unternehmensforschung und -industrie sehen ", sagte Haase in einer Stellungnahme. "Engineering ist heutzutage eine Gruppenaktivität, also können wir davon profitieren."

Die UC-Forscher erstellen Nanoröhrchen, indem sie sie auf viertelgroße Siliziumwafer legen und in einer Vakuumkammer erhitzen, ein Prozess, der als chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet wird.

"Jedes Teilchen hat einen Nukleationspunkt. Umgangssprachlich können wir es einen Samen nennen ", sagte Haase in einer Erklärung.

"Unser kohlenstoffhaltiges Gas wird in den Reaktor eingebracht. Wenn das Kohlenstoffgas mit unserem "Samen" interagiert, zerfällt es und bildet sich auf der Oberfläche neu. Wir lassen es wachsen, bis es die Größe erreicht, die wir wollen ", fuhr er fort.

Bei UC haben Forscher lange Zeit Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt.

In 2007 erzielte das Nanoworld Lab mit einem 2-Zentimeter langen Nanoröhrchen, dem größten seiner Zeit, einen Weltrekord. Aber jetzt können die Forscher solche schaffen, die viel länger sind.

Sie sind stolz auf ihre Fähigkeiten und können Nanoröhrchen aus fast jedem Kohlenstoff, einschließlich Alkohol und Methan, herstellen.

"Ich erinnere mich an eine Gruppe, die mit Girl-Scout-Keksen gezeigt wurde. Wenn es Kohlenstoff enthält, können Sie es in eine Nanoröhre verwandeln ", sagte Haase in einer Erklärung.

Um die großen Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen, strecken sie diese im Labor über eine Spule zu einem gesponnenen Faden, der zu Textilien verwoben werden kann.

"Es ist genau wie ein Textil", sagte Shanov in einer Erklärung. "Wir können sie wie einen Maschinenfaden zusammenbauen und sie in Anwendungen von Sensoren bis hin zu Schwermetallen in Wasser oder Energiespeichern, einschließlich Superkondensatoren und Batterien, einsetzen."

Anwendungen

Einer der Hauptvorteile von Kohlenstoff ist, dass es leicht ist.

Für das Militär könnten Kohlenstoff-Nanoröhren die Notwendigkeit für schwere Batterien ersetzen, die die Lichter, Nachtsichtgeräte und Kommunikationsausrüstung aufladen.

"So viel wie ein Drittel des Gewichts, das sie tragen, sind nur Batterien, um ihre ganze Ausrüstung anzutreiben", sagte Haase in einer Aussage. "Selbst wenn wir uns ein bisschen davon abrasieren können, ist das ein großer Vorteil für sie im Feld."

Im medizinischen Bereich untersuchen die Forscher, wie Kohlenstoff-Nanoröhren helfen könnten, Medizin zu liefern.

Forscher könnten in der Lage sein, ein Proteinmolekül an der Außenseite der Nanoröhre hinzuzufügen, um die Zellen dazu zu bringen, die Medizin zu konsumieren.

Was kommt als nächstes?

Derzeit gibt es zwei Themen, die die Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren betreffen, an denen die Forscher arbeiten.

Erstens wollen die Forscher sicherstellen, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht toxisch sind. Frühere Forschungen haben eine Korrelation zwischen Kohlenstoffbelastung und Lungenschäden ähnlich Asbest gezeigt.

Zweitens haben die Forscher jetzt Probleme mit der Massenproduktion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Aber das wird sich mit der Zeit ändern.

Fürs Erste können die Forscher nur 50-Werften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gleichzeitig herstellen.

"Es gibt noch viel zu tun, um den Prozess zu erweitern", sagte Benji Maruyama, der Leiter der Direktion für Materialien und Fertigung am Forschungslabor der Luftwaffe, in einer Erklärung.

"Das Ziehen einer Kohlenstoff-Nanoröhrchenfaser von einer Siliziumscheibe ist gut für die Forschung im Labormaßstab, aber nicht für die Herstellung eines Flugzeugflügels oder Fluganzugs."

Trotz der derzeitigen Straßensperren sollen Materialien auf Kohlenstoffbasis bald teure, schwere Metallmaterialien ersetzen.

"Die gemeinsame Forschung trägt dazu bei, dieses Ziel zu erreichen", sagte Shanov.