Профессор Вирджинского технологического колледжа хочет привести в движение самолеты и автомобили, используя энергию, запасенную в их внешних оболочках. Возможно, он открыл путь к этому видению, используя пористые углеродные волокна, сделанные из так называемых блок-сополимеров.

Углеродные волокна, уже известные как высокопроизводительный инженерный материал, широко используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Одно из применений — это корпуса роскошных автомобилей, таких как Mercedes-Benz, BMW или Lamborghini.

Углеродные волокна, тонкие волосяные нитки углерода , обладают множеством основных свойств материала: они являются механически прочными, химически стойкими, электропроводящими, огнестойкими и, что наиболее важно, легкими. Вес углеродных волокон повышает топливную и энергетическую эффективность , производя более быстрые самолеты и транспортные средства.

Разработка материалов для структуры и функции

Гуолян «Грег» Лю, доцент кафедры химии, задумал идею создания углеродных волокон, которые не были бы полезны только по структуре; они также были бы функционально полезны.

«Что, если мы сможем спроектировать их так, чтобы они имели такие функции, как накопление энергии ?» сказал Лю, также член Инновационного института макромолекул. «Если вы хотите, чтобы они накапливали энергию, у вас должны быть сайты, чтобы добавлять ионы».

Лю сказал, что в идеале углеродные волокна могут быть спроектированы таким образом, чтобы микропрепараты были равномерно разбросаны по всей поверхности, подобно губке, которая будет хранить ионы энергии.

После настройки традиционного метода химического производства углеродных волокон в течение долгого времени, Лю теперь разработал процесс синтеза пористых углеродных волокон с единообразным размером и расстоянием. Он подробно описывает эту работу в недавно опубликованной статье в журнале Science Advances .

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

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

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

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

Но в прошлом другие химики обычно смешивали ПАН и ПММА по отдельности в растворе. Это создало пористые углеродные волокна, но с порами разного размера и разнесенными порами. Накопление энергии может быть максимизировано с большей площадью поверхности, что происходит 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 дизайна материалов ».

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

Первым этапом является электроспиннинг, метод, в котором используется электрическая сила для создания волокнистых прядей и затвердевания раствора в подобный бумаге материал. Затем Лю провел процесс окисления при нагревании. На этом этапе PAN и PMMA естественным образом разделяются и самостоятельно собираются в цепи PAN и равномерно распределенные домены PMMA.

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

Новые возможности в накоплении энергии

Хотя этот прорыв улучшает и без того высокопроизводительный инженерный материал, возможно, еще большим прорывом является возможность использования блок-сополимеров для создания однородных пористых структур для возможностей накопления энергии.

«Это открывает нам путь к разработке материалов для хранения энергии», — сказал Лю. «Теперь мы также можем начать думать о функциональности. Мы используем не только (углеродные волокна) в качестве конструкционного материала, но и функциональный материал».

Лю играл с этой идеей с тех пор, как присоединился к Virginia Tech в 2014 году, но начал официальное исследование этой идеи после подачи выигрышного предложения в рамках Программы молодых следователей ВВС (YIP) в 2016 году.