Högtemperaturlågor används för att skapa en mängd olika material - men när du väl har startat en brand kan det vara svårt att kontrollera hur lågan interagerar med materialet du försöker bearbeta. Forskare har nu utvecklat en teknik som använder ett molekyltunt skyddande lager för att kontrollera hur lågans värme interagerar med materialet – tämjer elden och tillåter användare att finjustera egenskaperna hos det bearbetade materialet.
"Eld är ett värdefullt ingenjörsverktyg - trots allt är en masugn bara en intensiv eld", säger Martin Thuo, motsvarande författare till en artikel om arbetet och professor i materialvetenskap och teknik vid North Carolina State University. "Men när du väl har startat en brand har du ofta liten kontroll över hur den beter sig."
"Vår teknik, som vi kallar invers termisk nedbrytning (ITD), använder en tunn film i nanoskala över ett målrikt material. Den tunna filmen förändras som svar på eldens hetta och reglerar mängden syre som kan komma åt materialet. Det innebär att vi kan kontrollera hastigheten med vilken materialet värms upp – vilket i sin tur påverkar de kemiska reaktionerna som äger rum i materialet I grund och botten kan vi finjustera hur och var elden förändrar materialet."
Så här fungerar ITD. Du börjar med ditt målmaterial, till exempel en cellulosafiber. Den fibern beläggs sedan med ett nanometertjockt lager av molekyler. De belagda fibrerna utsätts sedan för en intensiv låga. Molekylernas yttre yta förbränns lätt, vilket höjer temperaturen i omedelbar närhet.
Men den inre ytan av den molekylära beläggningen förändras kemiskt, vilket skapar ett ännu tunnare lager av glas runt cellulosafibrerna. Detta glas begränsar mängden syre som kan komma åt fibrerna, vilket förhindrar att cellulosan brinner i lågor. Istället glöder fibrerna — de brinner långsamt, inifrån och ut.
"Utan ITD:s skyddande lager, skulle applicering av flamma på cellulosafibrer bara resultera i aska," säger Thuo. "Med ITD:s skyddande lager får du kolrör."
"Vi kan konstruera skyddsskiktet för att justera mängden syre som når målmaterialet. Och vi kan konstruera målmaterialet för att producera önskvärda egenskaper."
Forskarna genomförde proof-of-concept-demonstrationer med cellulosafibrer för att producera kolrör i mikroskala.
Forskarna kunde kontrollera tjockleken på kolrörets väggar genom att kontrollera storleken på cellulosafibrerna de började med; genom att införa olika salter till fibrerna (vilket ytterligare styr förbränningshastigheten); och genom att variera mängden syre som passerar genom skyddsskiktet.
"Vi har redan flera ansökningar i åtanke, som vi kommer att ta itu med i framtida studier", säger Thuo. "Vi är också öppna för att samarbeta med den privata sektorn för att utforska olika praktiska användningsområden, som att utveckla konstruerade kolrör för olje-vattenseparering - vilket skulle vara användbart för både industriella tillämpningar och miljösanering."
Verket publiceras i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .
Mer information: Chuanshen Du et al, Spatial Directed Pyrolysis via Thermally Morphing Surface Adducts, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308822
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av North Carolina State University
