Профессор Вирджинского технологического колледжа решил привести в движение самолеты и автомобили используя энергию запасенную в их внешних оболочках. Очень даже возможно, что он открыл путь к этой технологии, используя пористые углеродные волокна, изготовленные из так называемых блок-сополимеров.


Углеродное волокно это высокопроизводительный конструкционный материал, который широко используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Их применяют для изготовления корпусов роскошных автомобилей, таких как Mercedes-Benz, BMW или Lamborghini и это только одна из областей где они нашли широкое применение.

Углеродные волокна- из себя представляют тонкие волосяные нитки углерода и обладают множеством основных свойств материала: они механически прочные, химически стойкие, электропроводящие, огнестойкие итд, что наиболее важно, легкие. Малый вес углеродных волокон позволяет повышать топливную и энергетическую эффективность, что дает возможность производить более скоростные самолеты и наземные транспортные средства.

Разработка углеродные волокна конструкционного и функционального.

Гуолян «Грег» Лю, доцент кафедры химии, работает над идеей создания таких углеродных волокон, которые использовались бы не только в качестве композитного материала:

«Что, если мы смогли бы их структурировать так, чтобы они выполняли бы и другие функции такие, как накопление энергии?» говорит Лю, член Инновационного института макромолекул. «Если вы хотите, чтобы они накапливали энергию, у вас должны быть места, где вы смогли бы добавить ионы».

Лю объяснил, что в идеале углеродные волокна могут быть спроектированы таким образом, чтобы эти места для хранения заряда были равномерно разбросаны по всей поверхности, на подобие пористой губке.

Лю разработал процесс синтеза пористых углеродных волокон с порами одного размера и с одинаковыми расстояниями между пор. В журнале Science Advances, в недавно опубликованной статье, Лю подробно описал проделанную работу.

«Делать пористые углеродные волокна нелегко», — говорит Лю. «Ученые пробовали это десятилетиями. Но качество и однородность пор в углеродных волокнах были неудовлетворительными.

«Мы разработали, синтезировали, а затем обработали эти полимеры в лаборатории, а затем превратили их в пористые углеродные волокна».

Использование блок-сополимеров для создания пористых углеродных волокон

Лю использовал многоэтапный химический процесс с использованием двух полимеров — длинных, повторяющихся цепочек молекул — так называемых называемых полиакрилонитрил (ПАН) и поли (акрилонитрил-блок-метилметакрилат) (ПММА).

ПАН хорошо известен в области химии полимеров как соединение-предшественник углеродных волокон, а ПММА действует как материал, который впоследствии удаляется для создания пор.

В своих исследованиях ученые химики обычно смешивали ПАН и ПММА в растворе по отдельности. Хотя и это позволяло создавать пористые углеродные волокна, но поры имели разные размеры и расстояния друг от друга. Накопление энергии может быть максимальной только с большей площадью поверхности и с более мелкими однородными порами.

Лю предложил новую идею соединения PAN и PMMA, создав так называемый блок-сополимер. Одна половина сложного полимера представляет собой PAN, а другая половина — PMMA, и они ковалентно связаны в середине.

«Мы впервые используем блок-сополимеры для производства углеродных волокон и впервые используем пористые углеродные волокна на основе блок-сополимеров для хранения энергии», — сказал Лю. «Часто мы думаем только с точки зрения процесса, но здесь мы думаем с точки зрения структуры материалов».




После синтеза блок-сополимера в лаборатории вязкий раствор подвергся трем химическим процессам для получения пористых углеродных волокон.

Первым этап это электроспиннинг, метод, в котором используется электрическая сила для создания волокнистых прядей и затвердевания раствора на подобие процесса изготовления бумаги. Затем была проведена процесс окисления при нагревании. На этом этапе PAN и PMMA естественным образом разделяются и самостоятельно собираются в цепи PAN и равномерно распределенное мелкое накопление PMMA.

На последнем этапе, известном как пиролиз, Лю нагрел полимер до еще более высокой температуры. Этот процесс превратил ПАН в углерод удаляя ПММА, оставляя после себя соединенные мезопоры и микропоры по всему волокну.

Новые возможности для хранения энергии

Хотя этот прорыв улучшает и без того высокопроизводительный конструкционный материал, однако, большим прорывом является возможность использования блок-сополимеров для создания однородных пористых структур с возможностью хранения энергии.

Новый сенсорный датчик наделит искусственной коже сверхвозможностями

Соавтором исследования является Чжэнпин Чжоу, доцент Университета штата Северной Дакоты. В исследовании также участвовали Тянью Лю, сотрудник лаборатории Гуолян «Грег» Лю, и Асад Хан, аспирант пятого курса химического факультета.