Nanotech-‘film’ zou kunnen leiden tot slimme stoffen van de volgende generatie, rapporteren NCSU-onderzoekers

RALEIGH – Een film gemaakt van kleine koolstofnanobuisjes (CNT) kan een sleutelmateriaal zijn bij het ontwikkelen van kleding die de drager op verzoek kan verwarmen of koelen. Een nieuwe North Carolina State University studie constateert dat de CNT-film een combinatie van thermische, elektrische en fysieke eigenschappen heeft die het een aantrekkelijke kandidaat maken voor slimme stoffen van de volgende generatie.

De onderzoekers waren ook in staat de thermische en elektrische eigenschappen van het materiaal te optimaliseren, waardoor het materiaal zijn gewenste eigenschappen behoudt, zelfs als het wekenlang aan de lucht wordt blootgesteld. Bovendien werden deze eigenschappen bereikt met behulp van processen die relatief eenvoudig waren en geen buitensporig hoge temperaturen vereisten.

“Veel onderzoekers proberen een materiaal te ontwikkelen dat niet giftig en goedkoop is, maar tegelijkertijd efficiënt is in het verwarmen en koelen”, zegt Tushar Ghosh, mede-corresponderende auteur van de studie. “Koolstofnanobuisjes zijn, als ze op de juiste manier worden gebruikt, veilig, en we gebruiken een vorm die relatief gezien goedkoop is. Het is dus potentieel een betaalbaarder thermo-elektrisch materiaal dat op de huid kan worden gebruikt.” Ghosh is de William A. Klopman Distinguished Professor of Textiles aan het Wilson College of Textiles van NC State.

“We willen dit materiaal in de stof zelf integreren”, zegt hij Kony Chatterjee, eerste auteur van de studie en een Ph.D. student aan NC State. “Op dit moment richt het onderzoek naar kleding die de temperatuur kan reguleren zich sterk op het integreren van stijve materialen in stoffen, en commerciële draagbare thermo-elektrische apparaten op de markt zijn ook niet flexibel.”

Om de drager af te koelen, zegt Chatterjee, hebben CNT's eigenschappen waardoor warmte uit het lichaam kan worden afgevoerd wanneer een externe stroombron wordt toegepast.

“Zie het als een film, met verkoelende eigenschappen aan de ene kant en verwarmende eigenschappen aan de andere kant,” zei Ghosh.

De onderzoekers maten het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden, evenals de thermische geleidbaarheid ervan, of hoe gemakkelijk warmte door het materiaal gaat.

Een van de grootste bevindingen was dat het materiaal een relatief lage thermische geleidbaarheid heeft, wat betekent dat de warmte niet gemakkelijk terugvloeit naar de drager nadat deze het lichaam heeft verlaten om het af te koelen. Dat betekent ook dat als het materiaal zou worden gebruikt om de drager te verwarmen, de warmte zich met een stroom naar het lichaam zou verplaatsen en niet terug zou gaan naar de atmosfeer.

De onderzoekers konden de thermische geleidbaarheid van het materiaal nauwkeurig meten dankzij een samenwerking met het laboratorium van Jun Liu, een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek bij NC State. De onderzoekers gebruikten een speciaal experimenteel ontwerp om de thermische geleidbaarheid van het materiaal nauwkeuriger te meten in de richting waarin de elektrische stroom zich binnen het materiaal beweegt.

"Je moet elke eigenschap in dezelfde richting meten om je een redelijke schatting te geven van de mogelijkheden van het materiaal", zegt Liu, mede-corresponderende auteur van het onderzoek. “Dit was geen gemakkelijke taak; het was een hele uitdaging, maar we hebben een methode ontwikkeld om dit te meten, vooral voor dunne flexibele films.”

Het onderzoeksteam heeft ook het vermogen van het materiaal gemeten om elektriciteit op te wekken met behulp van een verschil in temperatuur, of thermische gradiënt, tussen twee omgevingen. Onderzoekers zeiden dat ze hiervan konden profiteren voor verwarming, koeling of om kleine elektronica van stroom te voorzien.

Liu zei dat hoewel deze thermo-elektrische eigenschappen belangrijk waren, het ook van cruciaal belang was dat ze een materiaal vonden dat ook flexibel, stabiel in de lucht en relatief eenvoudig te maken was.

"Het punt van dit artikel is niet dat we de beste thermo-elektrische prestaties hebben behaald", zei Liu. “We hebben iets bereikt dat kan worden gebruikt als een flexibel, elektronisch, zacht materiaal dat gemakkelijk te vervaardigen is. Het is gemakkelijk om dit materiaal te bereiden en deze eigenschappen gemakkelijk te bereiken.”

Uiteindelijk is hun visie voor het project het ontwerpen van een slimme stof die de drager kan verwarmen en koelen, samen met het oogsten van energie. Zij geloven dat een slim kledingstuk het energieverbruik kan helpen verminderen.

“In plaats van een hele woning of ruimte te verwarmen of te koelen, zou je de persoonlijke ruimte rond het lichaam verwarmen of koelen,” zei Ghosh. “Als we de thermostaat een graad of twee lager zouden kunnen zetten, zou dat een enorme hoeveelheid energie kunnen besparen.”

Het artikel, ‘In-plane Thermoelectric Properties of Flexible and Room Temperature Processable Doped Carbon Nanotube Films’, werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste energiematerialen. Het artikel is co-auteur van Ankit Negi en Kyunghoon Kim, beiden Ph.D. studenten van NC State. Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, onder subsidies 1943813 en 1622451, en door het Innovation Fund van de NC State Chancellor.

(C) NCSU

Origineel bericht door: WRAL TechWire