美国用碳纳米管开发可以兼作电池的服装

 

       美国辛辛那提大学的工程师正在与莱特 - 帕特森空军基地合作，利用碳纳米管制造可以为手机充电的服装。

       美国辛辛那提大学的工程师正在与莱特 - 帕特森空军基地合作，利用碳纳米管制造可以为手机充电的服装。

       使这成为可能的是碳纳米管的独特性质：大的表面区域，坚固，导电和耐热。

       加州大学工程与应用科学学院与空军研究实验室签订了为期五年的协议，开展可以增强军事技术应用的研究。

       加州大学教授Vesselin Shanov与UC的纳米世界实验室共同负责研究合作伙伴和UC教授Mark Schulz。他们共同利用他们在电气，化学和机械工程方面的专业知识来制造可以为电子设备供电的“智能”材料。

       “主要的挑战是将这些美丽的特性转化为利用它们的强度，导电性和耐热性，”Shanov说。

       舒尔茨表示，制造业处于碳复兴的尖端。碳纳米管将取代汽车和飞机中的铜线，以减轻重量并提高燃油效率。碳将过滤我们的水，并通过新的生物识别传感器告诉我们更多关于我们的生命和身体。

       碳将取代聚酯和其他合成纤维。由于碳纳米管是地球上最黑的物体，吸收了99.9%的可见光，你可能会说碳是新的黑色。

       “在过去，金属主导制造业，”舒尔茨说。“但我认为碳会在很多应用中取代金属。

       “将会有一个新的碳时代 - 碳革命，”舒尔茨说。

       UC的Nanoworld实验室指导30名研究生和本科生的集体工作。

       其中之一，UC研究助理Sathya Narayan Kanakaraj，共同撰写了一项研究，研究如何提高干法纺制碳纳米管纤维的拉伸强度。他的研究结果于6月发表在Materials Research Success杂志上。

       研究生Mark Haase在过去的一年里一直在Wright-Patterson的空军研究实验室探索碳纳米管的应用。通过合作，UC学生使用空军实验室的先进设备，包括X射线计算机断层扫描，来分析样本。哈斯一直在使用空军装备来帮助他的同学们完成他们的项目。

       “这促使我们分组工作并专业化。这些与我们在企业研究和行业中看到的动力相同，”Haase说。“工程现在是一项团体活动，所以我们可以利用这一点。”

       加州大学的研究人员通过称为化学气相沉积的过程在真空室中在加热下在四分之一尺寸的硅晶片上“生长”纳米管。

       “每个粒子都有一个成核点。通俗地说，我们可以把它称为种子，”Haase说。

       “我们的含碳气体被引入反应堆。当碳气与我们的'种子'相互作用时，它会在表面上分解并重新形成。我们让它生长到我们想要的尺寸，”他说。

       研究人员几乎可以使用任何碳，从酒精到甲烷。

       “我记得有一群人使用Girl Scout饼干炫耀。如果它含有碳，你可以把它变成纳米管，”Haase说。

       UC的纳米世界实验室在2007年创造了世界纪录，通过种植延伸近2厘米的纳米管，这是当时实验室生产的最长的碳纳米管阵列。今天的实验室可以创造出更长时间的纳米管。

       加州大学的研究人员在实验室的工业线轴上拉伸了小纤维方块。突然间，这片微小的碳片变成了一种类似蜘蛛丝的纺线，可以编织成纺织品。

       “这就像一种纺织品，”Shanov说。“我们可以像机器线一样组装它们，并将它们用于各种应用，包括传感器，跟踪水中的重金属或储能设备，包括超级电容器和电池。”

       对于军方而言，这可能意味着要更换重型电池，这些重型电池可以为越来越多的电子设备充电，这些电子设备构成士兵的负载：灯光，夜视和通信设备。

       “他们携带的重量的三分之一只是为所有设备供电的电池，”Haase说。“因此，即使我们可以稍微削减一点，这对他们来说也是一个很大的优势。”

       医学研究人员正在研究碳纳米管如何帮助提供靶向剂量的药物。

       “在外面，你可以添加一种蛋白质分子。细胞会阅读并说，'我想吃那个。' 因此，我们可以提供药物来支持健康细胞，恢复生病细胞，甚至杀死癌细胞，“Haase说。

       但首先研究人员希望确保碳纳米管是无毒的。

       “这就是为什么他们一直在缓慢行动，”Haase说。“研究发现，在高暴露或急性暴露下，碳纳米管会导致类似于石棉的肺损伤。我们要做的最后一件事就是治愈一种癌症，但却发现它会给你一种不同的癌症。”

       初步结果很有希望。

       不要在巴黎时装秀上寻找碳纳米管时装。成本太高了。

       “我们正在与那些更关心性能而不是成本的客户合作。但是一旦我们完美合成，规模就会大幅增加，成本也会相应下降，”Haase说。“然后我们将看到碳纳米管扩散到许多更多的应用中。”

       目前，UC的实验室可以一次生产约50码的碳纳米管线进行研究。

       “大多数大型纺织机器需要数英里的线程，”Haase说。“我们会到那儿。”

       在那之前，大规模生产仍然是碳纳米管技术尚未解决的问题之一，空军研究实验室材料与制造理事会负责人Benji Maruyama说。“在扩大工艺范围方面还有很多工作要做。将碳纳米管纤维从硅盘中拉出来对于实验室规模的研究是有利的，但不适用于制造飞机机翼或飞行服，”Maruyama说。

       他说：“唯一让我们退缩的是破解制造碳纳米管的规模。”

       Maruyama试图通过一系列使用名为ARES的自主研究机器人进行的实验来解决这个问题。机器人使用碳纳米管设计和进行实验，分析结果，然后使用该数据和人工智能重新定义下一个实验的参数。他说，通过这种方式，它可以在与人类研究人员同时进行100次实验。

       “碳纳米管的最大优点是不缺材料。它只需要金属催化剂 - 我们使用铁和镍 - 和碳。它并不稀缺，”Maruyama说。“因此，当我们谈论每年生产数百万吨碳纳米管时，我们并没有制造数百万吨稀有物。”

       Shanov说，最终目标是将UC的学术研究转化为实际问题的解决方案。

       “我们在学术界拥有探索不同应用的奢侈品，”Shanov说。“并非所有人都可以看到这个市场。但即使10%受到打击，也会取得巨大成功。”