En professor vid Virginia Techs College of Science vill driva flygplan och bilar med energi som lagras i deras yttre skal. Han kan ha upptäckt en väg mot den visionen med hjälp av porösa kolfibrer tillverkade av så kallade blocksampolymerer.

Kolfibrer, redan känt som ett högpresterande ingenjörsmaterial, används i stor utsträckning inom flyg- och bilindustrin. En applikation är skalen på lyxbilar som Mercedes-Benz, BMW, eller Lamborghini.

Kolfibrer, tunna hårliknande strängar av kol, har flera primära materialegenskaper:de är mekaniskt starka, kemiskt resistent, elektriskt ledande, brandskyddsmedel, och kanske viktigast av allt, lättvikt. Vikten av kolfibrer förbättrar bränsle- och energieffektiviteten, producerar snabbare jetplan och fordon.

Designa material för struktur och funktion

Guoliang "Greg" Liu, biträdande professor vid institutionen för kemi, kom på idén att skapa kolfibrer som inte bara skulle vara strukturellt användbara; de skulle också vara funktionellt användbara.

"Tänk om vi kan designa dem så att de har funktionalitet, som energilagring?" sa Liu, också medlem i Macromolecules Innovation Institute. "Om du vill att de ska lagra energi, du måste ha platser att placera joner i."

Liu sa att kolfibrerna helst skulle kunna utformas för att ha mikrohål jämnt utspridda över hela, liknar en svamp, som skulle lagra joner av energi.

Efter att ha justerat en långvarig konventionell metod för att kemiskt producera kolfibrer, Liu har nu utvecklat en process för att syntetisera porösa kolfibrer för första gången med enhetlig storlek och avstånd. Han beskriver detta arbete i en nyligen publicerad artikel i tidskriften high impact journal Vetenskapens framsteg .

"Att göra porösa kolfibrer är inte lätt, "Liu sa." Folk har försökt detta i årtionden. Men kvaliteten och likformigheten hos porerna i kolfibrerna var inte tillfredsställande.

"Vi designade, syntetiserat, och bearbetade sedan dessa polymerer i labbet, och sedan gjorde vi dem till porösa kolfibrer."

Använda blocksampolymerer för att skapa porösa kolfibrer

Liu använde en flerstegs kemisk process med två polymerer – långa, upprepande kedjor av molekyler – kallad polyakrylnitril (PAN) och poly(akrylnitril-block-metylmetakrylat) (PMMA).

PAN är välkänt inom polymerkemiområdet som en prekursorförening till kolfibrer, och PMMA fungerar som ett platshållande material som senare tas bort för att skapa porerna.

Men förr i tiden, andra kemister hade vanligtvis blandat PAN och PMMA separat till en lösning. Detta skapade porösa kolfibrer men med olika stora och åtskilda porer. Energilagring kan maximeras med större yta, som sker med mindre, enhetliga porer.

Liu kom på den nya idén att binda ihop PAN och PMMA, skapa vad som är känt som en blocksampolymer. Hälften av den sammansatta polymeren är PAN, och den andra hälften är PMMA, och de är kovalent bundna i mitten.

"Detta är första gången vi använder blocksampolymerer för att tillverka kolfibrer och första gången vi använder blocksampolymerbaserade porösa kolfibrer vid energilagring, " sa Liu. "Ofta, vi tänker bara ur processens synvinkel, men här tänker vi utifrån materialdesignsynpunkt."

Efter att ha syntetiserat blocksampolymeren i labbet, den viskösa lösningen genomgick sedan tre kemiska processer för att uppnå porösa kolfibrer.

Det första steget är elektrospinning, en metod som använder elektrisk kraft för att skapa fibrösa trådar och härda lösningen till ett pappersliknande material. Nästa, Liu satte polymeren genom en oxidationsuppvärmningsprocess. I detta steg, PAN och PMMA separerade naturligt och självmonterade till strängarna av PAN och likformigt spridda domäner av PMMA.

I det sista steget, känd som pyrolys, Liu värmde polymeren till en ännu högre temperatur. Denna process stelnade PAN till kol och avlägsnade PMMA, lämnar efter sig sammankopplade mesoporer och mikroporer i hela fibern.

Nya möjligheter inom energilagring

Även om detta genombrott förbättrar ett redan högpresterande ingenjörsmaterial, kanske är det större genombrottet möjligheten att använda blocksampolymerer för att skapa enhetliga porösa strukturer för energilagringsmöjligheter.

"Det öppnar sättet vi tänker på att designa material för energilagring, ", sa Liu. "Nu kan vi också börja tänka på funktionalitet. Vi använder inte bara (kolfibrer) som ett strukturmaterial utan också ett funktionellt material."

Liu hade lekt med den här idén sedan han började på Virginia Tech 2014, men han började formell forskning om denna idé efter att ha skickat in ett vinnande förslag genom Air Force Young Investigator Program (YIP) 2016.