(Phys.org) – Forskare vid Purdue University utvecklar en metod för att masstillverka en ny typ av nanomaterial för avancerade sensorer och batterier, med ett öga mot tillverkning i Mellanvästern.

Forskningsresultat tyder på att materialet är lovande som en sensor för att upptäcka glukos i saliven eller tårar och för "superkondensatorer" som kan möjliggöra snabbladdning, högpresterande batterier.

Dock, för att materialet ska kommersialiseras måste forskarna hitta ett sätt att massproducera det till låg kostnad.

"Det är en sak att säga att du har ett nytt underverk, men kan du bevisa att den kan göras i kommersiell skala?" sa Arvind Raman, Robert V. Adams professor i maskinteknik. "I många fall finner vi att grundläggande forskning måste göras för att skala upp. Du vill kunna producera stora mängder av materialet till 50 cent per kvadratmeter."

Nu, ett team av Purdue -forskare kommer att sikta på att göra just det. Projektet, finansierat med ett anslag på 1,5 miljoner dollar från National Science Foundation, fokuserar på att skapa en nanotillverkningsmetod som är "skalbar, " eller kan masstillverkas till låg kostnad.

Den underliggande tekniken har utvecklats av en forskargrupp ledd av Timothy Fisher, James G. Dwyer -professorn i maskinteknik. Den består av vertikala nanostrukturer som liknar små rosenblad gjorda av ett material som kallas grafen, som är en enatoms tjock film av kol.

"Genom att använda dessa grafennanopetal har vi uppnått exceptionell prestanda i ett brett utbud av enheter i laboratorieskala, sa Fisher.

Forskarna hoppas kunna öka produktionshastigheten för nanopetalbelagda ytor till 10 kvadratmeter per timme, representerar en dramatisk ökning jämfört med produktionstakten i laboratorieskala.

Raman har expertis inom roll-to-roll-tillverkning, en stöttepelare i många industriella verksamheter inklusive pappers- och plåtproduktion. Han modellerar mekaniken i processen att skapa flexibla material i ark med hög hastighet och under spänning.

"En nyckelfaktor kommer att vara industripartners, " sade han. "Det finns många industrier som har roll-to-roll-verksamhet. Så att fokusera på roll-to-roll som en plattform för produktion av nanomaterial är väldigt strategiskt för Mellanvästern."

Han har även expertis inom precisionsmätning med hjälp av ett atomkraftmikroskop.

"Du måste kunna mäta materialet medan det tillverkas, och detta är en utmaning på grund av kronbladens nanometerskala, " han sa.

Nanoblad av grafen har också visat sig vara ett "termiskt gränssnitt"-material för att förhindra att datorchips överhettas.

"En mängd nya enhets- och materialkoncept baserade på grafennanopetal växer fram i så olika tillämpningar som kolfiberkompositer och nya termiska gränssnittsmaterial, ", sa Raman. "Det kommersiella intresset är extremt högt för detta nya kolnanomaterial. "

Andra nyckelforskare i projektet är Alina Alexeenko, en docent i flygteknik och astronautik; Alexander Wei, en professor vid Institutionen för kemi; Ernesto E. Marinero, en professor i ingenjörspraxis i skolorna för kemiteknik och materialteknik; och Euiwon Bae, en forskarprofessor i maskinteknik.

Nanobladen skapas i ett vakuum genom att utsätta en duk av kolfiber för högenergiplasma som innehåller vätejoner och andra ingredienser, en process som kallas plasmaförstärkt kemisk ångavsättning. Alexeenko kommer att leda arbetet med att modellera plasmareaktorn och att optimera dess förutsättningar för snabb och miljövänlig omvandling av råvaror, såsom metan och väte, till nanoblad av kol.

Wei kommer att funktionalisera kronblad med metallnanopartiklar och enzymer som känner igen glukos eller andra målmolekyler för biosensing. Marinero kommer att fokusera på tillförlitligheten hos enheter tillverkade av nanomaterialet, och Bae kommer att arbeta för att säkerställa korrekt kronbladsstorlek genom att analysera mönster av ljusspridning från materialets yta.

Det mesta av forskningen kommer att baseras på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.

"Uppskalning av produktion är en viktig utmaning för nanoteknik, "sade Ali Shakouri, Mary Jo och Robert L. Kirk Direktör för Birck Nanotechnology Center och professor i elektro- och datorteknik. "Detta NSF-projekt är en del av ett bredare nanotillverkningsinitiativ vid Birck Nanotechnology Center där vi fokuserar på roll-to-roll-produktion av smarta tunna filmer för applikationer inom apotek och livsmedelsförpackningar."

Wei sa, "Projektet representerar framkanten av en mycket större rörelse på Purdue för att synergisera kärnforskningsexpertis inom naturvetenskap och teknik på ett sätt som ger doktorander möjligheter att övervinna utmaningarna med att omvandla spännande forskningsupptäckter till produkter som kan kommersialiseras."

Teknik som utvecklats i projektet kan kommersialiseras genom samarbete med ett lokalt nystartat företag, Folium Nanotechnologies LLC, medgrundat av Fisher och Marinero, samt Roche Diagnostics och Battery Innovation Center. Centret lanserades i år för att utnyttja Indianas offentliga och privata sektors tillgångar i avancerad batteriteknologi för att underlätta forskning och utveckling, snabb prototypframställning och kontraktstillverkning för industrin, akademiska och militära kunder.

"En regional verkstadsserie om roll-to-roll nanotillverkning kommer att organiseras för att fungera som en katalysator för innovation i Mellanvästern genom att sammanföra intresserade små, medelstora och stora företag tillsammans med tillverkare av originalutrustning och universitetsforskare, sa Raman.

Den nya tekniken kan vara av särskilt intresse för batteritillverkare i Indiana.

Forskarna kommer också att tillhandahålla avancerade simuleringsverktyg för vakuumbaserade roll-to-roll-processer. Verktygen kommer att vara tillgängliga för företag genom cyberinfrastrukturen för tillverkningshubben och nanoHUB, en interaktiv webbplats som gör tillgängliga vetenskapliga simuleringar, seminarier, interaktiva kurser och annat specialiserat nanoteknikrelaterat material.

"Vi kommer att utbilda den amerikanska arbetskraften genom en innovativ onlinekurs om nanotillverkning som erbjuds som en del av nanoHUB U-initiativet, sa Raman.

Forskningen har potential för bred effekt.

"Många resultat från denna forskning är inte bara tillämpliga på grafen nanopetalteknologi, utan snarare till en mängd olika nanomaterial tillverkade i lågtrycks- och omgivande rull-till-rulle-nanotillverkningsprocesser, " han sa.