Infraröd (värme) bild visar en värmeanordning gjord av ångknäckt tjära, glödgad med laser, som formades till en MIT-logotyp för att visa processens kontrollerbarhet. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Tjära, det vardagliga materialet som tätar sömmar i våra tak och uppfarter, har en oväntad och ouppskattad komplexitet, enligt en forskargrupp från MIT:Det kan en dag vara användbart som råmaterial för en mängd högteknologiska enheter inklusive energilagringssystem, termiskt aktiva beläggningar, och elektroniska sensorer.
Och det är inte bara tjära. Professor Jeffrey Grossman har en helt annan syn på andra fossila bränslen också. Istället för att använda dessa material som billiga varor för att bränna upp, täta sprickor med, eller kassera, han ser potential för en mängd olika tillämpningar som drar fördel av den mycket komplexa kemin som är inbäddad i dessa uråldriga blandningar av biomassa-härledda kolföreningar.
En betydande fördel med sådana applikationer är att de ger ett sätt att återanvända material som annars skulle brännas, ökar utsläppen av växthusgaser, eller deponeras på soptippar. Dessa användningar kan leda till en "grönning" av annars klimatskadligt kol och andra kolbaserade material, säger Grossman.
I sin senaste forskning, Äcklig man, tillsammans med postdoc Xining Zang, forskaren Nicola Ferralis, och fem andra, hittat sätt att använda kol, tjära, och pitch för att producera tunna beläggningar med mycket kontrollerbar och reproducerbar elektrisk ledningsförmåga, porositet, och andra fastigheter. Med hjälp av en laser, de kunde göra prototypenheter från de billiga, allestädes närvarande material, inklusive en superkondensator för att lagra el, en flexibel töjningsmätare, och en transparent värmare.
Arbetet, beskrivs i journalen Vetenskapens framsteg , utforskar alternativa sätt att använda kolhaltiga tunga kolväten, som har bildats under miljontals år av geologisk bearbetning av förmultnat växtmaterial genom värme och tryck. Dessa material, Grossman säger, tillhandahålla ett rikt utbud av atomära konfigurationer med olika kemiska och strukturella egenskaper, oöverträffad av något syntetiskt material, bearbetade kolbaserade nanomaterial.
För att använda dessa materialegenskaper, teamet använde en process som kallas laserglödgning för att skapa ultratunna lager av kolhaltiga material, avsatt på ett substrat. De producerade specifika funktionella enheter genom att deponera och etsa mönster i lager gjorda av olika kolbaserade material.
På sätt och vis, vad laget gjorde var motsatsen till traditionell bearbetning av fossila bränslen, där den komplexa blandningen av kolväten genomgår steg efter steg för att bryta ner kemiska bindningar och separera olika föreningar. I det här arbetet, de olika typerna av tunga kolvätekomplex användes precis som de är, använda sig av det stora utbudet av egenskaper som finns i de olika materialen – typer av kol, petroleumångknäckt tjära, och mesofas tonhöjd, de flesta är antingen biprodukter som vanligtvis måste kasseras eller bränslen som snabbt fasas ut.
Genom en kombination av att välja precis rätt råmaterial och variera timingen och styrkan för laserpulser som används för att glödga materialet, laget kunde kontrollera en rad fysiska, optisk, elektrisk, magnetisk, och andra fastigheter. Genom att kombinera olika material, de säger, en hel rad enheter kan produceras på en gång på ett enda substrat.
"Vi kan sedan skapa allt från grafen till någon sorts aromatiskt rika polymerer, " säger Ferralis, "och med egenskaper som kan förändras mycket, från att vara termiska och elektriska isolatorer, till termiska och elektriska ledare. Vi kan ändra porositet, så det tillåter oss inte bara att skapa solida filmer, men också för att skapa material som är mycket porösa, så att vi faktiskt kan göra membran."
Detta sortiment av materialegenskaper kan blandas och matchas, kanske möjliggör, till exempel, skapandet av en mängd kolhaltiga "bläck" för 3-D-utskrift, han säger.
"Men istället för att ändra färgerna, " Ferralis säger, "du ändrar faktiskt vilken typ av prekursor du gör. Du lägger till lite mer tjära, lite mindre tonhöjd, eller lite mer av någon av de andra sakerna som vi lyfte fram i tidningen. Det kan ge, till exempel, förmågan att göra, i samma film, ett membran, en elektrisk apparat, och ett energilagringssystem, och så vidare, på begäran."
Materialen kan vara praktiskt taget alla typer av tunga kolväten, av vilka många finns i stort överflöd som restprodukter från petroleumproduktion eller kemisk bearbetning. "Det vi letar efter är alla material som är tunga i aromater, betyder tunga kolväten som folk inte vet vad de ska göra med det, " säger Zang. "Så vi är ganska agnostiska om vad vi kan använda."
Genom att använda exakt tidsinställda och avstämda pulser från en koldioxidlaser, teamet kunde kontrollera egenskaperna hos det belagda materialet, spränga den med pulser som kan generera mycket lokaliserade temperaturer så höga som 2, 000 grader Celsius, samtidigt som de omgivande områdena lämnas så opåverkade att processen kan utföras även på mjuka underlag som plast, de säger.
"Vi har det här mycket heterogena, rörigt råmaterial, säger Grossman, "men det är så billigt och rikt med användbar kemi." Tanken är att förstå det tillräckligt bra för att kunna "ansöka enkelt, skalbara tillverkningsverktyg så att vi kan dra nytta av denna förståelse för att få den att göra något annorlunda för oss." I ett nötskal, han säger, "vi hittar det här materialet som tidigare ansågs vara begränsat i sin användning (endast som ett bränsle att bränna, till exempel), och genom att förstå dess atomära struktur, vi kan tillämpa principer för materialdesign och ingenjörskonst för att göra det användbart på bredare sätt."
Medan detta inledande arbete fokuserade på tunna filmer, råvarorna är så billiga att sådana material i slutändan också kan användas för bulkapplikationer, säger Ferralis. "Om vi kan skala upp den här processen till bulksystem, detta kan användas i konstruktionsmaterial, till exempel, eller isolering för bostäder. Saker som faktiskt kräver mycket av materialet." Det kan till och med ge ett ekonomiskt uppsving för kolproducerande regioner som nu lider av kollapsen av den koldrivna elkraftverksindustrin för att bli producenter av en helt ny familj av mer värdefulla produkter , han föreslår.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.