Dessa dagar, flygteknik handlar om det lätta:att bygga flygplan med lättare vingar, flygkropp och landningsställ i ett försök att minska bränslekostnaderna.

Avancerade kolfiberkompositer har använts de senaste åren för att lätta flygplans belastningar. Dessa material kan matcha aluminium och titan i styrka men till en bråkdel av vikten, och kan hittas i flygplan som Boeing 787 och Airbus A380, minska sådana jets vikt med 20 procent.

För nästa generations kommersiella jetplan, forskare letar efter ännu starkare och lättare material, såsom kompositer gjorda av kolfibrer belagda med kolnanorör – små rör av kristallint kol. När den är arrangerad i vissa konfigurationer, nanorör kan vara hundratals gånger starkare än stål, men bara en sjättedel av vikten, göra sådana kompositer attraktiva för användning i flygplan, samt bilar, tåg, rymdfarkoster och satelliter.

Men ett betydande hinder för att uppnå sådana kompositer ligger på nanoskala:Forskare som har försökt odla kolnanorör på kolfibrer har funnit att detta avsevärt försämrar de underliggande fibrerna, beröva dem deras inneboende styrka.

Nu har ett team från MIT identifierat grundorsaken till denna fibernedbrytning, och utarbetade tekniker för att bevara fibrernas styrka. Att tillämpa sina upptäckter, forskarna belade kolfibrer med nanorör utan att orsaka fibernedbrytning, gör fibrerna dubbelt så starka som tidigare nanorörsbelagda fibrer – vilket banar väg för kolfiberkompositer som inte bara är starkare, men också mer elektriskt ledande. Forskarna säger att teknikerna lätt kan integreras i nuvarande fibertillverkningsprocesser.

"Ända tills nu, människor förbättrade i princip en del av materialet men förstörde den underliggande fibern, och det var en avvägning, du kunde inte få allt du ville ha, " säger Brian Wardle, en docent i flygteknik och astronautik vid MIT. "Med detta bidrag, du kan nu få allt du vill ha."

En artikel som beskriver resultaten av Wardle och hans kollegor publiceras i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt . Medförfattare är postdoc Stephen Steiner, som bidrog till forskningen som doktorand, och Richard Li, en doktorand som var undergraduate i Wardles labb.

Att komma till det nitty-grinty av fibernedbrytning

För att förstå hur kolfibrer tillverkas, gruppen besökte kolfiberproduktionsanläggningar i Japan, Tyskland och Tennessee. En aspekt av fibertillverkningsprocessen stack ut:Under tillverkningen, fibrer sträcks till nära brytpunkten när de värms upp till höga temperaturer. I kontrast, forskare som har försökt odla nanorör på kolfibrer i labbet använder vanligtvis inte spänningar i sina tillverkningsprocesser.

För att replikera tillverkningsprocessen de bevittnade, Li och Steiner konstruerade en småskalig apparat gjord av grafit. Forskarna trädde individuella kolfibrer - var och en 10 gånger tunnare än ett människohår - över enheten, ungefär som strängarna på en gitarr, och hängde små vikter på vardera änden av varje fiber, drar dem spända. Gruppen odlade sedan kolnanorör på fibrerna, först täcka fibrerna med en speciell uppsättning beläggningar, och sedan värma fibrerna i en ugn. De använde sedan kemisk ångavsättning för att odla ett flummigt lager av nanorör längs varje fiber.

För att få nanorör att växa, fibern behöver vanligtvis beläggas med en metallkatalysator som järn, men forskare har antagit att sådana katalysatorer också kan vara källan till fibernedbrytning. I sina experiment, dock, Steiner och Li fann att katalysatorn bara bidrog till cirka 15 procent av fiberns nedbrytning.

"När vi kom till det lilla, vi fann att metallkatalysatorn, den uppfattade gärningsmannen, visade sig vara mer av en medbrottsling, " säger Steiner. "Vi kunde se att det gjorde lite skada, men det var inte det som verkligen dödade allt."

Istället, gruppen hittade, efter ytterligare experiment, att huvuddelen av fibernedbrytningen berodde på ett tidigare oidentifierat mekanokemiskt fenomen som uppstod på grund av bristande spänning när kolfibrer värms över en viss temperatur.

Hårbalsam omvänt

Efter att ha identifierat orsakerna till fibernedbrytning, forskarna kom fram till två praktiska strategier för att odla nanorör på kolfiber som bevarar fiberstyrkan.

Först, teamet täckte kolfibern med ett lager aluminiumoxidkeramik för att "dölja" det, gör det möjligt för järnkatalysatorn att fastna på fibern utan att förstöra den. Lösningen, dock, kom med en annan utmaning:lagret av aluminiumoxid fortsatte att flagna av.

För att hålla aluminiumoxiden på plats, teamet utvecklade en polymerbeläggning som heter K-PSMA-som, som Steiner beskriver det, fungerar som hårbalsam omvänt. Hårbalsam har två till synes motsatta kemiska egenskaper:en vattenabsorberande komponent som gör att balsamet fastnar på håret, och en vattentät komponent som gör att håret inte blir burrigt. Likaså, K-PSMA har hydrofila och hydrofoba komponenter, men dess vattentäta funktion fastnar på kolfibern, medan den vattenabsorberande komponenten attraherar aluminiumoxiden och metallkatalysatorn.

I sina experiment, forskarna fann att beläggningen gjorde att aluminiumoxid och metallkatalysator kunde fastna, utan att behöva lägga till andra processer, som att företsa fiberytan. Teamet placerade de belagda fibrerna under spänning, och framgångsrikt odlade nanorör utan att skada fibern.

För gruppens andra strategi, Steiner observerade att det kan vara möjligt att eliminera behovet av spänning genom att minska temperaturen på nanorörstillväxt. Genom att använda en nyligen upptäckt nanorörs-tillväxtprocess tillsammans med K-PSMA, Teamet visade att det är möjligt att odla nanorör vid en mycket lägre temperatur - nästan 300 grader Celsius svalare än vad som vanligtvis används - för att undvika skador på den underliggande fibern, .

"Denna process minskar inte bara mängden energi och volym gas som krävs, men mängden främmande ämnen du måste lägga på fibern, Steiner säger. "Det är faktiskt ganska enkelt och kostnadseffektivt."

Milo Shaffer, professor i materialkemi vid Imperial College, London, säger att gruppens kolfibertekniker kan vara användbara för att designa kompositer för användning i elektroder och luftfilter. Ett nästa steg mot detta mål, han säger, är att se till att fiberns olika lager och beläggningar håller sig på plats.

"Detta resultat indikerar en viktig faktor som ska införlivas i framtida utveckling av "håriga kolfiber", säger Shaffer, som inte bidrog till forskningen. "Effekten av de olika beläggningskombinationerna på [nanorör] fastsättning, och den eventuella – och kritiska – fibermatrisvidhäftningen i kompositer, återstår att utforska."

Forskarna har ansökt om patent på de två strategierna, och föreställer sig avancerade fiberkompositer som innehåller deras tekniker för en hel rad applikationer.

"Det finns inte många som förnyar materialkemi för avancerade strukturella applikationer för flyg- och rymdfart, " säger Steiner. "Jag tycker att det här är särskilt spännande, och har en mycket verklig möjlighet att påverka miljön i stor skala, och om prestandan hos flygfordon."

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.