Stålmannen kan pressa en kolklump och förvandla den till en gnistrande diamant – i serietidningar, i alla fall. Det finns en viss vetenskaplig giltighet för denna fiktiva bedrift. Kol och diamanter är båda sammansatta av kol. De två materialen skiljer sig åt i deras mikroskopiska arrangemang av atomer, och det leder till en ganska stor skillnad i utseende, ledningsförmåga, hårdhet och andra egenskaper.

Som detta visar, mikrostrukturen hos kolbaserade material är viktig. Optimering av kolmikrostruktur kan gynna applikationer inom energilagring, sensorer och nästa generations kärnmaterialsystem.

Nu har en grupp forskare vid Idaho National Laboratory (INL) genomfört en studie som kan leda till förbättrade metoder för att finjustera kolets mikrostruktur. Forskarna rapporterade om sitt arbete i juni 2020 Material idag Kemi papper.

Skapar kristallin struktur

Kunal Mondal, en INL-materialvetenskapsforskare, genomförde gruppens experiment, som innebar att utsätta små kolfilmer och fibrer för temperaturer så höga som 3000o C (5400o F). Den värmen gjorde att mikrostrukturen i filmerna och fibrerna blev mindre oordnad (eller amorf) och mer diamantliknande (eller kristallin).

"När kolstrukturen blir mer kristallin, det gör många saker möjliga. Först, kolets konduktivitet ökar. Det betyder att du kan få ut många bra applikationer, sa Mondal, tidningens huvudförfattare. Några av dessa applikationer inkluderar batterier och sensorer, han lade till.

Ett mål med forskningen var att se hur den slutliga mikrostrukturen varierade beroende på temperaturen och utgångsmaterialet.

För grundmaterialet, forskarna spann ut miniatyrkolfibrer och belagda substrat med tunna kolfilmer. De värmebehandlade dessa polymerprekursorer vid temperaturer från 1000 till 3000o C. De undersökte sedan resultaten med transmissionselektronmikroskop och andra instrument, bestämma graden av omvandling från en löst organiserad polymer till en mer strukturerad, kristallint arrangemang.

Genvägar i mikrostruktur färdplan

Värmebehandlingar används över hela världen för att skapa kolkompositmaterial med önskad mikrostruktur, som varierar beroende på applikation. De föregångare som forskare valt ut används också flitigt. Ändå kan kommersiell produktion med dessa prekursorer och tillverkningsmetoder vara en komplicerad process som kräver en rad exakta värmebehandlingar och andra åtgärder.

Det slutliga receptet för en produkt kan nås genom försök och misstag, som ibland kan vara omfattande. INL-forskningen syftar till bland annat, att tillhandahålla en vägkarta med genvägar för att påskynda sökningen.

Så, förutom experimentellt arbete, INL-gruppen gjorde också simuleringar som modellerade hur fibrerna och filmerna skulle utvecklas under värmebehandling. Gorakh Pawar, en annan medförfattare till artikeln och en INL-personalforskare vid institutionen för materialvetenskap och teknik, hanterade dessa simuleringar. Datormodellerna förutspådde resultat som liknade de experimentella resultaten. Arbetet finansierades genom INL:s Laboratory Directed Research and Development-program.

INL-studien ger ledtrådar som kan användas för att designa prekursorer och processer som kommer att ge föredragna nanostrukturer, sa Pawar. Till exempel, att börja med en film resulterade i högre elektronrörlighet än vad som resulterade när man utgick från fibrer, vilket kan vara en konsekvens av de många gränserna i en fiber och deras inverkan på elektronernas fria rörlighet. Så, för en sensor eller annan applikation där konduktiviteten är viktig, att börja med en film kan leda till en enhet som är känsligare, är snabbare eller drar mindre ström.

När vi utforskar alla möjliga kombinationer av bearbetningssteg, forskare vid nationella laboratorier, inom industrin och på andra håll måste vara kostnadseffektiva i sina utredningar och resultat. Simuleringar som de som görs av INL-gruppen kan hjälpa till att minimera tiden, ansträngning och kostnad för att nollställa rätt process och utgångsmaterial.

"Du kan inte köra ett experiment för alltid. Du behöver lite vägledning för att optimera ditt experimentella protokoll, sa Pawar.

Ladda batterierna snabbare

När det gäller möjliga tillämpningar av gruppens forskning, han noterade att det är avgörande att få mikrostrukturen rätt i, till exempel, ett litiumjonbatteri.

Dessa batterier har en elektrod gjord av grafit, en form av kol. När du använder batteriet, litiumjonerna lagras mellan lager i grafiten, vilket innebär att mängden tomrum och defekter i materialet är viktigt. Med grafit av rätt struktur, att jonrörelser kan vara snabba, ett krav på extrem snabbladdning. Ändå kan grafitmaterialen inte vara så porösa att det gör elektroden oanvändbar.

Sådan laddning kan göra det möjligt för elfordon att få motsvarande en full tank bensin inom några minuter istället för timmar. Den förmågan skulle göra att köra dessa utsläppsfria bilar och lastbilar liknar vad människor är vana vid med nuvarande gasdrivna fordon. Detta innebär att INL-forskningsprojektet kan visa sig vara fördelaktigt för att ta reda på hur man uppnår den typen av prestanda, en förmåga konsumenterna söker.

"Det är vårt framtida mål inom energilagring:hur vi kan optimera denna grafitstruktur, sa Pawar.

För att hjälpa till att uppnå det, forskarna fortsätter att utöka sin förståelse av kolmikrostrukturer och hur de kan produceras. I slutet, detta arbete kan hjälpa till att skapa ett elfordonsbatteri som kan nå full laddning snabbt – eller, för att uttrycka det i superhjältetermer, snabbare än en fartkula.