Finjustering af brande: Nanoskala materiale fra NC State forskere giver kontrol

Udgivelsesdato: 15. august 2023

Højtemperaturflammer bruges til at skabe en bred vifte af materialer - men når først du starter en brand, kan det være svært at kontrollere, hvordan flammen interagerer med det materiale, du forsøger at behandle. Forskere har nu udviklet en teknik, der anvender et molekylet tyndt beskyttende lag til at kontrollere, hvordan flammens varme interagerer med materialet – tæmmer ilden og giver brugerne mulighed for at finjustere det behandlede materiales egenskaber.

"Ild er et værdifuldt ingeniørværktøj - trods alt er en højovn kun en intens brand," siger Martin Thuo, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og professor i materialevidenskab og teknik ved North Carolina State University. »Men når man først starter en brand, har man ofte ringe kontrol over, hvordan den opfører sig.

"Vores teknik, som vi kalder invers termisk nedbrydning (ITD), anvender en tynd film på nanoskala over et målrettet materiale. Den tynde film ændrer sig som reaktion på ildens varme og regulerer mængden af ilt, der kan få adgang til materialet. Det betyder, at vi kan kontrollere hastigheden, hvormed materialet opvarmes - hvilket igen påvirker de kemiske reaktioner, der finder sted i materialet. Grundlæggende kan vi finjustere, hvordan og hvor branden ændrer materialet.”

Sådan fungerer ITD. Du starter med dit målmateriale, såsom en cellulosefiber. Den fiber er derefter belagt med et nanometer tykt lag af molekyler. De coatede fibre udsættes derefter for en intens flamme. Den ydre overflade af molekylerne forbrændes let, hvilket hæver temperaturen i umiddelbar nærhed. Men den indre overflade af den molekylære belægning ændrer sig kemisk, hvilket skaber et endnu tyndere lag glas omkring cellulosefibrene. Dette glas begrænser mængden af ilt, der kan få adgang til fibrene, og forhindrer cellulosen i at bryde i flammer. I stedet ulmer fibrene - brænder langsomt indefra og ud.

"Uden ITD's beskyttende lag ville påføring af flamme på cellulosefibre kun resultere i aske," siger Thuo. ”Med ITD'ens beskyttende lag ender man med kulstofrør.

"Vi kan konstruere det beskyttende lag for at justere mængden af ilt, der når målmaterialet. Og vi kan konstruere målmaterialet for at producere ønskelige egenskaber."

Forskerne udførte proof-of-concept-demonstrationer med cellulosefibre for at fremstille kulstofrør i mikroskala.

Forskerne kunne kontrollere tykkelsen af kulstofrørets vægge ved at kontrollere størrelsen af de cellulosefibre, de startede med; ved at indføre forskellige salte til fibrene (som yderligere styrer forbrændingshastigheden); og ved at variere mængden af oxygen, der passerer gennem det beskyttende lag.

"Vi har allerede flere ansøgninger i tankerne, som vi vil behandle i fremtidige undersøgelser," siger Thuo. "Vi er også åbne for at arbejde med den private sektor for at udforske forskellige praktiske anvendelser, såsom at udvikle konstruerede kulstofrør til olie-vand-separation - hvilket ville være nyttigt til både industrielle applikationer og miljøsanering."

Papiret, "Rumlig rettet pyrolyse via termisk morphing overfladeaddukter", er publiceret i tidsskriftet Angewandte Chemie. Medforfattere er Dhanush Jamadgni og Alana Pauls, Ph.D. studerende ved NC State; Julia Chang og Andrew Martin, postdoktorale forskere ved NC State; Chuanshen Du, Paul Gregory, Rick Dorn og Aaron Rossini fra Iowa State University; og E. Johan Foster ved University of British Columbia.

Original artikelkilde: WRAL TechWire