Feinabstimmung von Bränden: Nanoskaliges Material von Forschern des NC State sorgt für Kontrolle

Flammen mit hohen Temperaturen werden zur Herstellung einer Vielzahl von Materialien verwendet. Ist das Feuer jedoch erst einmal entfacht, kann es schwierig sein, die Wechselwirkung der Flamme mit dem zu verarbeitenden Material zu kontrollieren. Forscher haben nun eine Technik entwickelt, bei der eine moleküldünne Schutzschicht verwendet wird, um die Wechselwirkung der Hitze der Flamme mit dem Material zu kontrollieren. So wird das Feuer gezähmt und Benutzer können die Eigenschaften des verarbeiteten Materials genau anpassen.

„Feuer ist ein wertvolles Werkzeug der Ingenieurskunst – schließlich ist ein Hochofen nur ein intensives Feuer“, sagt Martin Thuo, korrespondierender Autor eines Artikels über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der North Carolina State University. „Wenn man jedoch einmal ein Feuer entfacht hat, hat man oft kaum noch Kontrolle über sein Verhalten.

„Unsere Technik, die wir inverse thermische Degradation (ITD) nennen, verwendet einen nanometergroßen Dünnfilm über einem bestimmten Material. Der Dünnfilm verändert sich als Reaktion auf die Hitze des Feuers und reguliert die Menge an Sauerstoff, die das Material erreichen kann. Das bedeutet, dass wir die Geschwindigkeit kontrollieren können, mit der sich das Material erhitzt – was wiederum die chemischen Reaktionen beeinflusst, die im Material stattfinden. Im Grunde können wir genau einstellen, wie und wo das Feuer das Material verändert.“

So funktioniert ITD. Sie beginnen mit Ihrem Zielmaterial, beispielsweise einer Zellulosefaser. Diese Faser wird dann mit einer nanometerdicken Molekülschicht beschichtet. Die beschichteten Fasern werden dann einer intensiven Flamme ausgesetzt. Die äußere Oberfläche der Moleküle verbrennt leicht und erhöht die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung. Die innere Oberfläche der Molekülbeschichtung verändert sich jedoch chemisch und bildet eine noch dünnere Glasschicht um die Zellulosefasern. Dieses Glas begrenzt die Menge an Sauerstoff, die an die Fasern gelangen kann, und verhindert, dass die Zellulose in Flammen aufgeht. Stattdessen schwelen die Fasern – sie brennen langsam von innen nach außen.

„Ohne die Schutzschicht des ITD würde das Beflammen von Zellulosefasern nur Asche erzeugen“, sagt Thuo. „Mit der Schutzschicht des ITD erhält man Kohlenstoffröhren.“

„Wir können die Schutzschicht so konstruieren, dass wir die Sauerstoffmenge, die das Zielmaterial erreicht, genau steuern können. Und wir können das Zielmaterial so konstruieren, dass es die gewünschten Eigenschaften erzeugt.“

Die Forscher führten Proof-of-Concept-Demonstrationen mit Zellulosefasern durch, um Kohlenstoffröhren im Mikromaßstab herzustellen.

Die Forscher konnten die Dicke der Kohlenstoffröhrenwände steuern, indem sie die Größe der Ausgangszellulosefasern kontrollierten, indem sie den Fasern verschiedene Salze beifügten (was die Brenngeschwindigkeit zusätzlich steuert) und indem sie die Sauerstoffmenge variierten, die durch die Schutzschicht dringt.

„Wir haben bereits mehrere Anwendungen im Sinn, die wir in zukünftigen Studien angehen werden“, sagt Thuo. „Wir sind auch offen für eine Zusammenarbeit mit dem privaten Sektor, um verschiedene praktische Einsatzmöglichkeiten zu erkunden, wie etwa die Entwicklung technischer Kohlenstoffröhren für die Öl-Wasser-Trennung – was sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Umweltsanierung nützlich wäre.“

Das Papier, "Räumlich gerichtete Pyrolyse durch thermisch morphende Oberflächenaddukte„, wird in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie. Co-Autoren sind Dhanush Jamadgni und Alana Pauls, Doktoranden an der NC State; Julia Chang und Andrew Martin, Postdoktoranden an der NC State; Chuanshen Du, Paul Gregory, Rick Dorn und Aaron Rossini von der Iowa State University; und E. Johan Foster von der University of British Columbia.

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire