Biträdande professor i maskin- och industriteknik Marilyn Minus har utvecklat en superstark fiber som konkurrerar med de bästa i branschen. Kredit:Mary Knox Merrill
På dagens marknad för högpresterande fibrer, används för applikationer som skottsäkra västar, tillverkare har bara fyra alternativ:Kevlar, Spectra, Dyneema, och Zylon. Tillverkad av polymerer som polyeten, dessa var de starkaste syntetfibrerna i världen – tills nyligen.
Marilyn Minus, en biträdande professor i teknik vid Northeastern, har utvecklat en typ av fiber som är starkare än de tre första kommersiella produkterna som nämns ovan, och – även i sin första generation – närmar sig den fjärde styrkan (Zylon).
Tillsätt små mängder kolnanorör – raka, cylindriska partiklar gjorda helt av kol - till polymerfibrer ökar deras styrka marginellt. Men som doktorand vid Georgia Institute of Technology för fem år sedan, Minus tänkte att med lite mer kontroll, hon kanske skulle kunna förvandla dessa blygsamma förbättringar till dramatiska. Hon har tillbringat de senaste fyra åren på Northeastern för att bevisa sin föraning.
I en tidning som nyligen släpptes i tidskriften Makromolekylära material och teknik , Minus presenterade en avstämbar process för att skapa superstarka fibrer som konkurrerar med branschens allra bästa. Som med tidigare arbete, Minus metod integrerar kolnanorör i polymerfibern, men istället för att bara tjäna som en extra ingrediens, nanorören fyller nu också en organisatorisk roll.
Från kolsvart till metallpartiklar, en mängd olika material kan styra bildandet av specifika kristalltyper i en process som kallas kärnbildning. Men innan kolnanorör, Minus sa, "vi har aldrig haft ett kärnbildande material så likt polymerer."
Fibrerna som skapats av Minus team visas i rött. Justering av kristalliseringsprocessen gör dem starkare än något annat material på marknaden förutom Zylon. Kredit:Marilyn Minus.
Denna likhet gör att nanorören fungerar som skridskor längs vilka de långa polymerkedjorna kan glida, perfekt anpassade sig till varandra.
Men det är kristalliseringsprocessen som driver de anmärkningsvärda egenskaperna som nyligen rapporterats. I sin forskning, Minus och hennes kollegor visade att de enkelt kunde slå på eller av dessa egenskaper. Genom att inte ändra något annat än mönstret för att värma och kyla materialet, de kunde öka styrkan och segheten hos fibrer gjorda med samma ingredienser.
Efter att ha använt justering av kristalliseringsprocessen, Elektronmikroskopavbildning visar att nanorören inuti fibern är belagda med polymer. Kredit:Marilyn Minus
I den aktuella forskningen, Minus och hennes kollegor utarbetade receptet och processen för en speciell polymer:polyvinylalkohol. "Men vi kan göra det här med andra polymerer och vi gör det, " Hon sa.
Att helt enkelt kombinera nanorören och polymeren inducerar inte polymeren att likformigt belägga nanoröret. Kredit:Marilyn Minus
Med finansiering från ett nytt anslag från Defense Advanced Research Projects Agency, Minus ska nu utarbeta metoden för en polymer som kallas polyakrylnitrle, eller PAN. Detta är det dominerande materialet som används för att bilda kolfibrer, som är av särskilt intresse för lättviktskompositmaterial som de som används i flygplanet Boeing 787. Med den mer organiserade strukturen som Minus metod ger, detta material kunde se en enorm ökning av dess redan fantastiska prestanda.
