Palojen hienosäätö: NC Staten tutkijoiden nanomittakaavan materiaali tarjoaa hallinnan
Julkaisupäivä:Korkean lämpötilan liekkejä käytetään monenlaisten materiaalien luomiseen – mutta tulipalon sytyttämisen jälkeen voi olla vaikeaa hallita liekin vuorovaikutusta materiaalin kanssa, jota yrität käsitellä. Tutkijat ovat nyt kehittäneet tekniikan, joka hyödyntää molekyyliohutta suojakerrosta, joka ohjaa liekin lämmön vuorovaikutusta materiaalin kanssa – kesyttää tulta ja antaa käyttäjille mahdollisuuden hienosäätää käsitellyn materiaalin ominaisuuksia.
"Tuli on arvokas insinöörityökalu – masuuni on loppujen lopuksi vain kova tulipalo", sanoo Martin Thuo, vastaava kirjoittaja työstä ja materiaalitieteen ja tekniikan professori North Carolina State Universityssä. "Kuitenkin kun sytyttää tulipalon, et voi usein hallita sen käyttäytymistä.
"Tekniikkamme, jota kutsumme käänteiseksi lämpöhajoamiseksi (ITD), käyttää nanomittakaavan ohutta kalvoa kohdennetun materiaalin päällä. Ohut kalvo muuttuu tulen lämmön vaikutuksesta ja säätelee materiaaliin pääsevän hapen määrää. Tämä tarkoittaa, että voimme kontrolloida materiaalin lämpenemisnopeutta, mikä puolestaan vaikuttaa materiaalissa tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin. Periaatteessa voimme hienosäätää, miten ja missä tuli muuttaa materiaalia."
Näin ITD toimii. Aloitat kohdemateriaalistasi, kuten selluloosakuidusta. Tämä kuitu päällystetään sitten nanometrin paksuisella molekyylikerroksella. Päällystetyt kuidut altistetaan sitten voimakkaalle liekille. Molekyylien ulkopinta palaa helposti ja nostaa lämpötilaa välittömässä läheisyydessä. Mutta molekyylipinnoitteen sisäpinta muuttuu kemiallisesti, jolloin syntyy vielä ohuempi lasikerros selluloosakuitujen ympärille. Tämä lasi rajoittaa kuituihin pääsevän hapen määrää, mikä estää selluloosaa syttymästä liekkeihin. Sen sijaan kuidut kytevät – palavat hitaasti, sisältä ulospäin.
"Ilman ITD:n suojakerrosta liekin levittäminen selluloosakuituihin johtaisi vain tuhkaan", Thuo sanoo. ”ITD:n suojakerroksen avulla päädyt hiiliputkiin.
”Voimme suunnitella suojakerroksen säätämään kohdemateriaalin saavuttavan hapen määrää. Ja voimme suunnitella kohdemateriaalin tuottamaan haluttuja ominaisuuksia."
Tutkijat suorittivat konseptin todisteita selluloosakuiduilla tuottaakseen mikrokokoisia hiiliputkia.
Tutkijat pystyivät säätelemään hiiliputken seinämien paksuutta säätelemällä selluloosakuitujen kokoa, joista he aloittivat; lisäämällä kuituihin erilaisia suoloja (joka edelleen säätelee palamisnopeutta); ja vaihtelemalla suojakerroksen läpi kulkevan hapen määrää.
"Meillä on jo mielessämme useita sovelluksia, joita tulemme käsittelemään tulevissa tutkimuksissa", Thuo sanoo. "Olemme myös avoimia työskentelemään yksityisen sektorin kanssa tutkiaksemme erilaisia käytännön käyttötapoja, kuten öljy-veden erottamiseen tarkoitettujen hiiliputkien kehittämistä – mikä olisi hyödyllistä sekä teollisissa sovelluksissa että ympäristön kunnostamisessa."
Paperi, "Tilallisesti suunnattu pyrolyysi lämpömorfoivien pintaadduktien kautta”, julkaistaan lehdessä Angewandte Chemie. Yhteiskirjoittajia ovat Dhanush Jamadgni ja Alana Pauls, Ph.D. opiskelijat NC State; Julia Chang ja Andrew Martin, tohtorintutkijat NC Statesta; Chuanshen Du, Paul Gregory, Rick Dorn ja Aaron Rossini Iowan osavaltion yliopistosta; ja E. Johan Foster British Columbian yliopistosta.
Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire