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美國用碳納米管開發可以兼作電池的服裝

美國辛辛那提大學的工程師正在與萊特 – 帕特森空軍基地合作,利用碳納米管製造可以為手機充電的服裝。

使這成為可能的是碳納米管的獨特性質:大的表麵區域,堅固,導電和耐熱。

加州大學工程與應用科學學院與空軍研究實驗室簽訂了為期五年的協議,開展可以增強軍事技術應用的研究。

加州大學教授Vesselin Shanov與UC的納米世界實驗室共同負責研究合作夥伴和UC教授Mark Schulz。他們共同利用他們在電氣,化學和機械工程方麵的專業知識來製造可以為電子設備供電的“智能”材料。

“主要的挑戰是將這些美麗的特性轉化為利用它們的強度,導電性和耐熱性,”Shanov說。

舒爾茨表示,製造業處於碳複興的尖端。碳納米管將取代汽車和飛機中的銅線,以減輕重量並提高燃油效率。碳將過濾我們的水,並通過新的生物識別傳感器告訴我們更多關於我們的生命和身體。

碳將取代聚酯和其他合成纖維。由於碳納米管是地球上最黑的物體,吸收了99.9%的可見光,你可能會說碳是新的黑色。

“在過去,金屬主導製造業,”舒爾茨說。“但我認為碳會在很多應用中取代金屬。

“將會有一個新的碳時代 – 碳革命,”舒爾茨說。

UC的Nanoworld實驗室指導30名研究生和本科生的集體工作。

其中之一,UC研究助理Sathya Narayan Kanakaraj,共同撰寫了一項研究,研究如何提高幹法紡製碳納米管纖維的拉伸強度。他的研究結果於6月發表在Materials Research Success雜誌上。

研究生Mark Haase在過去的一年裏一直在Wright-Patterson的空軍研究實驗室探索碳納米管的應用。通過合作,UC學生使用空軍實驗室的先進設備,包括X射線計算機斷層掃描,來分析樣本。哈斯一直在使用空軍裝備來幫助他的同學們完成他們的項目。

“這促使我們分組工作並專業化。這些與我們在企業研究和行業中看到的動力相同,”Haase說。“工程現在是一項團體活動,所以我們可以利用這一點。”

加州大學的研究人員通過稱為化學氣相沉積的過程在真空室中在加熱下在四分之一尺寸的矽晶片上“生長”納米管。

“每個粒子都有一個成核點。通俗地說,我們可以把它稱為種子,”Haase說。

“我們的含碳氣體被引入反應堆。當碳氣與我們的’種子’相互作用時,它會在表麵上分解並重新形成。我們讓它生長到我們想要的尺寸,”他說。

研究人員幾乎可以使用任何碳,從酒精到甲烷。

“我記得有一群人使用Girl Scout餅幹炫耀。如果它含有碳,你可以把它變成納米管,”Haase說。

UC的納米世界實驗室在2007年創造了世界紀錄,通過種植延伸近2厘米的納米管,這是當時實驗室生產的最長的碳納米管陣列。今天的實驗室可以創造出更長時間的納米管。

加州大學的研究人員在實驗室的工業線軸上拉伸了小纖維方塊。突然間,這片微小的碳片變成了一種類似蜘蛛絲的紡線,可以編織成紡織品。

“這就像一種紡織品,”Shanov說。“我們可以像機器線一樣組裝它們,並將它們用於各種應用,包括傳感器,跟蹤水中的重金屬或儲能設備,包括超級電容器和電池。”

對於軍方而言,這可能意味著要更換重型電池,這些重型電池可以為越來越多的電子設備充電,這些電子設備構成士兵的負載:燈光,夜視和通信設備。

“他們攜帶的重量的三分之一隻是為所有設備供電的電池,”Haase說。“因此,即使我們可以稍微削減一點,這對他們來說也是一個很大的優勢。”

醫學研究人員正在研究碳納米管如何幫助提供靶向劑量的藥物。

“在外麵,你可以添加一種蛋白質分子。細胞會閱讀並說,’我想吃那個。’ 因此,我們可以提供藥物來支持健康細胞,恢複生病細胞,甚至殺死癌細胞,“Haase說。

但首先研究人員希望確保碳納米管是無毒的。

“這就是為什麼他們一直在緩慢行動,”Haase說。“研究發現,在高暴露或急性暴露下,碳納米管會導致類似於石棉的肺損傷。我們要做的最後一件事就是治愈一種癌症,但卻發現它會給你一種不同的癌症。”

初步結果很有希望。

不要在巴黎時裝秀上尋找碳納米管時裝。成本太高了。

“我們正在與那些更關心性能而不是成本的客戶合作。但是一旦我們完美合成,規模就會大幅增加,成本也會相應下降,”Haase說。“然後我們將看到碳納米管擴散到許多更多的應用中。”

目前,UC的實驗室可以一次生產約50碼的碳納米管線進行研究。

“大多數大型紡織機器需要數英裏的線程,”Haase說。“我們會到那兒。”

在那之前,大規模生產仍然是碳納米管技術尚未解決的問題之一,空軍研究實驗室材料與製造理事會負責人Benji Maruyama說。“在擴大工藝範圍方麵還有很多工作要做。將碳納米管纖維從矽盤中拉出來對於實驗室規模的研究是有利的,但不適用於製造飛機機翼或飛行服,”Maruyama說。

他說:“唯一讓我們退縮的是破解製造碳納米管的規模。”

Maruyama試圖通過一係列使用名為ARES的自主研究機器人進行的實驗來解決這個問題。機器人使用碳納米管設計和進行實驗,分析結果,然後使用該數據和人工智能重新定義下一個實驗的參數。他說,通過這種方式,它可以在與人類研究人員同時進行100次實驗。

“碳納米管的最大優點是不缺材料。它隻需要金屬催化劑 – 我們使用鐵和鎳 – 和碳。它並不稀缺,”Maruyama說。“因此,當我們談論每年生產數百萬噸碳納米管時,我們並沒有製造數百萬噸稀有物。”

Shanov說,最終目標是將UC的學術研究轉化為實際問題的解決方案。

“我們在學術界擁有探索不同應用的奢侈品,”Shanov說。“並非所有人都可以看到這個市場。但即使10%受到打擊,也會取得巨大成功。”

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