火災の微調整: ノースカロライナ州の研究者によるナノスケール材料が制御を提供
発行日:高温の炎はさまざまな材料の製造に使用されますが、いったん火がつくと、加工しようとしている材料と炎の相互作用を制御することが難しくなります。研究者たちは現在、分子レベルの薄さの保護層を使用して炎の熱が材料とどのように相互作用するかを制御する技術を開発しました。これにより、炎を抑制し、加工する材料の特性をユーザーが微調整できるようになります。
「火は貴重な工学ツールです。結局のところ、高炉は激しい火に過ぎません」と マーティン・トゥオ、この研究論文の責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学の教授である。「しかし、いったん火を起こしてしまうと、それがどのように振る舞うかをほとんど制御できないことがよくあります。
「逆熱分解（ITD）と名付けた私たちの技術は、ターゲット材料の上にナノスケールの薄膜を使用します。この薄膜は火の熱に反応して変化し、材料にアクセスできる酸素の量を調整します。つまり、材料の加熱速度を制御でき、それが材料内で起こる化学反応に影響を与えるのです。基本的に、火が材料をどのように、どこで変化させるかを微調整できるのです。」
ITD の仕組みは次のとおりです。まず、セルロース繊維などの対象材料を用意します。次に、その繊維をナノメートルの厚さの分子層でコーティングします。コーティングされた繊維を強烈な炎にさらします。分子の外側の表面は簡単に燃え、その付近の温度が上昇します。しかし、分子コーティングの内側の表面は化学的に変化し、セルロース繊維の周囲にさらに薄いガラス層を形成します。このガラスによって、繊維にアクセスできる酸素の量が制限され、セルロースが炎上するのを防ぎます。代わりに、繊維はくすぶり、内側から外側に向かってゆっくりと燃えます。
「ITD の保護層がなければ、セルロース繊維に炎を当てても灰になってしまうだけです」と Thuo 氏は言います。「ITD の保護層があれば、炭素チューブしか残らないのです。」
「保護層を設計することで、対象材料に到達する酸素の量を調整できます。また、望ましい特性を生み出すために対象材料を設計することもできます。」
研究者らは、セルロース繊維を使ってマイクロスケールのカーボンチューブを製造する概念実証を実施した。
研究者たちは、原料となるセルロース繊維のサイズを制御し、繊維にさまざまな塩を導入し（これにより燃焼速度がさらに制御されます）、保護層を通過する酸素の量を変えることで、カーボンチューブの壁の厚さを制御することができました。
「私たちはすでにいくつかの用途を念頭に置いており、今後の研究でそれらに取り組む予定です」とトゥオ氏は言う。「また、油水分離用の人工カーボンチューブの開発など、さまざまな実用的用途を模索するために民間部門と協力することも検討しています。これは産業用途と環境修復の両方に役立つでしょう。」
紙、 "熱変形表面付加物による空間指向性熱分解』が雑誌に掲載されました 応用化学共著者は、ノースカロライナ州立大学の博士課程学生であるダヌシュ・ジャマドニとアラナ・ポールズ、ノースカロライナ州立大学のポスドク研究員であるジュリア・チャンとアンドリュー・マーティン、アイオワ州立大学のチュアンシェン・ドゥ、ポール・グレゴリー、リック・ドーン、アーロン・ロッシーニ、ブリティッシュコロンビア大学のE・ヨハン・フォスターです。
元の記事の出典: WRAL TechWire