Se det som att laga mat med kolspagetti:En forskare från Kansas State University utvecklar nya sätt att skapa och arbeta med kolnanorör - ultrasmå rör som ser ut som spagettibitar eller snöre.
Dessa kolnanorör -- gjorda av grafen, ett atomtjockt ark av kol -- har de perfekta ingredienserna för att förbättra laserdetektorer och uppladdningsbara batterier, enligt forskning av Gurpreet Singh, biträdande professor i maskin- och kärnteknik. Singh arbetar med flera projekt med kolnanorör och polymerderiverat keramiskt material.
Ett projekt handlar om nya sätt att laga mat eller skapa ett keramiskt kolnanorörsmaterial. Det konventionella sättet att tillverka denna typ av material är att ta en flytande polymer, häll den i en form och värm den i en ugn tills polymeren bildar en keramik.
Singhs team provade ett nytt tillvägagångssätt. De är bland de första att skapa sin egen modifierade flytande polymer med fyra ingredienser:kisel, bor, kol och kväve. Men istället för att värma denna flytande polymer i en ugn, de värmde det i en konventionell mikrovågsugn - den typ som används i kök. De fann att mikrovågsugnen värmer nanorören lika bra som en ugn.
"Vad vi gjorde är att minska tiden för att konstruera keramik, " sa Singh. "Om du använder en ugn eller värmare, du måste värma den ett tag. Med mikrovågsugnen, det är snabb uppvärmning inom några minuter."
Deras arbete - författade tillsammans med deras universitetskollega William Kuhn, professor i elektro- och datateknik -- dök nyligen upp i tidskriften Tillämpade material och gränssnitt , publicerad av American Chemical Society. En annan publikation som involverar konventionell bearbetning kommer att visas i Journal of the American Ceramic Society .
När detta keramiska nanorörsmaterial av kol har skapats, den har flera applikationer. Singhs team är involverat i ett projekt med Laser Radiometry Team vid National Institute of Standards and Technology, eller NIST, i Boulder, Colo., som arbetar med att utveckla mätmetoder för högeffekts industriella lasrar för tillverkning.
Singhs team hjälper institutet att förbättra hur laserkraft mäts. För närvarande, lasermätningar involverar en konformad koppardetektor täckt med kolfärg. Lasern lyser genom konen, absorberas av den svarta färgen, värmer kopparkonen och värmer sedan upp ett vattenfall vid detektorns bakre ände. Genom att mäta vattnets stigande temperatur, forskare kan bestämma laserns energi.
Singh-teamet har förbättrat denna process genom att göra den konformade detektorn av det keramiska nanorörskompositmaterialet i kol. Eftersom keramik tål höga temperaturer, det skyddar nanorören, som absorberar laserljuset för att värma konen.
"Vi kontrollerar materialets stabilitet, ", sa Singh. "Vi karaktäriserar det och skickar sedan proverna till NIST för att testa."
Ett annat projekt för Singhs team använder det keramiska nanorörsmaterialet i kol för att förbättra prestandan hos laddningsbara batterier. Materialet tar upp fyra sätt att förbättra laddningsbara batterier:att ha en större lagringskapacitet, har en längre batteritid, laddas snabbt och ger mycket kraft på kort tid.
Dessa keramiska material kan reversibelt lagra litium, vilket betyder att litium kan gå in och komma ut ur det. Nuvarande uppladdningsbara batterier använder grafit för att lagra litium. Men när grafiten slits ner, ett batteri blir mindre effektivt och förblir laddat under en kortare tid.
Möjligheten att ladda snabbt och ge mycket kraft på kort tid är särskilt nyckeln till elbilar. Många nuvarande elbilskonstruktioner tar flera timmar att ladda och tar lång tid att accelerera. Forskare som vill skapa ett batteri som kan laddas på några minuter och ge ström snabbt kan nu ha en lösning.
Singhs team har redan sett tidig framgång med sitt arbete:Preliminär forskning visar att när det keramiska materialet används i batterier, den fördubblar eller tredubblar batteriets kapacitet för hög ström. Materialet är även termodynamiskt stabilt, så den kan överleva längre cykler.
"Det skulle vara riktigt trevligt att ha ett material som har hög kapacitet, kan laddas snabbt och är dessutom stabil, " sa Singh. "Med detta keramiska material, den ska vara tillräckligt stark så att den inte försämras med tiden. Det är det ultimata målet."
Deras batteriarbete kommer att visas senare i år i tidskriften Nanomaterial och energi , utgiven av Institutionen för civilingenjörer. Forskarna laddar och laddar för närvarande batterierna i flera cykler för att förstå hur länge de batterier som tillverkas av materialen kan hålla.
Ett avslutande projekt från Singhs team involverar användningen av "nano-fingrar, " som är vassa volframnålar som kan sondera och plocka upp kolnanorör. Forskarna använder dessa nano-fingrar under ett elektronmikroskop för att utföra studier med individuella kolnanorör och keramiska nanotrådar.
Singhs forskning har fått stöd med $57, 000 från EPSCoR-programmet med National Science Foundation. Hans forskargrupp består av två doktorander - Romil Bhandavat och Lamuel David, både doktorander i maskinteknik, Indien, -- och en student på grundutbildningen, Uriel Barrera, en sophomore i maskinteknik, Olathe.
