Niezwykle prosty przepis na elastyczne arkusze złożone jedynie z nanorurek węglowych lub grafenu – o precyzyjnie dobranych właściwościach – opracowali badacze z Politechniki Śląskiej.
– Odkryliśmy, jak przygotować właściwie dowolnie duży, elastyczny arkusz złożony z nanomateriałów węglowych – czyli z nanorurek albo z grafenu. I to o takich właściwościach, jakie akurat są nam potrzebne – mówi w rozmowie z PAP Dawid Janas z Politechniki Śląskiej. Badania jego zespołu ukazały się w czasopiśmie „Materials and Design”.
Badacz przypomina w rozmowie z PAP, że wcześniej istniało już kilka metod robienia takich arkuszy z nanomateriałów węglowych, ale żadna z nich nie pozwalała na dokładne kontrolowanie struktury materiału węglowego i jego właściwości. – W naszej metodzie możemy przygotować arkusz z precyzyjnie wybranych nanorurek – dokładnie o takich właściwościach, jakie są nam potrzebne – mówi.
Jak dodaje, takie tanie, lekkie nanorurkowe płachty przydać się mogą np. w elektronice – do odprowadzania ciepła w komputerach – zamiast elementów miedzianych – czy np. do odladzania skrzydeł samolotów.
Nanorurkowy bigos
Nanorurki węglowe to maleńkie ruloniki z pojedynczej warstwy węgla – coś jakby grafen zwinięty w rurkę o średnicy nanometrów (milionowa część milimetra). Właściwości pojedynczych nanorurek są na tyle unikalne, że wzbudzają w badaczach spore nadzieje. Mimo że struktury takie znane są od ponad dwóch dekad, to problemem było to, jak je wykorzystać. Wprawdzie łatwo je produkować, ale jest pewien problem – w procesie tym powstaje mieszanka nanorurek o różnych właściwościach. Znajdują się tam i nanorurki, które przewodzą prąd lepiej niż miedź, i nanorurki o cechach półprzewodników, i nanorurki o dużej oporności.
W takim „bigosie” unikalne cechy poszczególnych nanorurek przestają mieć znaczenie. Dopiero od 2-3 lat wiadomo, jak można segregować nanorurki i wydzielać spośród nich te o pożądanych właściwościach termicznych, mechanicznych czy elektrycznych. Dotąd jednak nie było jeszcze sposobu na to, by takim wyselekcjonowanym nanorurkom nadać spójną strukturę i z proszku otrzymać elastyczny arkusz.
A to właśnie udało się badaczom z Politechniki Śląskiej. Pokazali oni, jak proszek z nanorurkami o jednolitych właściwościach zmienić w dużą płachtę, którą np. można nałożyć na inną powierzchnię. Na razie badaczom udaje się uzyskiwać arkusze o rozmiarach A4, ale w odpowiednio wyposażonym laboratorium można będzie produkować płachty dowolnie duże, o wybranym kształcie i grubości.
– Jeśli więc np. chcemy mieć materiał półprzewodnikowy, który przyda się do budowy elementów komputera, jesteśmy w stanie wyłuskać nanorurki o takich właściwościach i przygotować z nich duży arkusz – powiedział.
Przepis na nanorurki
Dr Janas opowiada, że przepis na arkusz nanorurek jest bardzo prosty. Bierzemy czarny proszek – czyli odpowiednio wyselekcjonowany nanomateriał węglowy – i mieszamy go z białym proszkiem – etylocelulozą, substancją wiążącą stosowaną w przemyśle spożywczym. Do tego dodajemy rozpuszczalnik organiczny. W ten sposób powstaje farba.
Farbę napylamy na tworzywo sztuczne, np. polietylen. Powstaje w ten sposób cienka warstwa, która słabo przylega do podłoża. Arkusz można odczepić od podłoża po prostu kilka razy je wyginając.
Aby pozbyć się etylocelulozy, która ciągle znajduje się w arkuszu, płachtę wystarczy podpalić – nawet przy użyciu zapalniczki. Etyloceluloza z całego arkusza w sekundę czy dwie zostaje spalona. W ten sposób otrzymujemy elastyczną, spójną płachtę, która składa się z tych samych nanorurek, które wcześniej miały postać proszku.
Nanorurki są trochę jak długie kable. Substancja wiążąca sprawia, że ich struktury splątują się ze sobą i nawet jeśli etylocelulozę się usunie, nanorurki już splątane pozostają.
Nieszablonowe myślenie
– Można powiedzieć, że podpalenie arkusza zapalniczką to dość prymitywna metoda pozbywania się etylocelulozy. Ale bardzo skuteczna! Byliśmy bardzo zdziwieni, że ten polimer całkowicie się utlenia, nie zostawiając po sobie śladów w materiale. A taki ogień jest zupełnie niegroźny dla nanorurek ani grafenu – opisuje dr Janas.
– Na początku szukaliśmy składników na nanorurkową farbę, która będzie w stanie dobrze przywrzeć do naszego podłoża. A wyprodukowaliśmy farbę, która od podłoża łatwo odchodzi. Myśleliśmy, że to problem. Ale potem zaczęliśmy myśleć szerzej – dodaje.
Janas porównuje, że podobnie było w firmie, która pracowała nad supermocnym klejem. Przez przypadek opracowano tam klej słaby. Zamiast jednak wyrzucić przepis do kosza – znaleziono dla niego zastosowanie – wymyślono karteczki samoprzylepne. – Pomyśleliśmy, że może i tu można znaleźć jakieś niestandardowe zastosowania – opowiada. I dodaje, że jego zespół już wpadł na kilka takich pomysłów, gdzie elastyczne płachty nanorurek przydadzą się bardziej niż pokrycie na stałe związane z podłożem.
Zdaniem dr. Janasa taki arkusz nanorurek można np. wykorzystać, by odprowadzał ciepło z laptopów. – W komputerach znajduje się dużo miedzi, która m.in. odprowadza ciepło z procesora – zwraca uwagę badacz. Według niego, jeśli miedź zastąpiono by tam arkuszem z nanorurek, mogłoby to się okazać rozwiązaniem i tańszym, i lżejszym.
– Myśleliśmy też, że takich płacht z nanostruktur węgla można byłoby użyć np. do odladzania skrzydeł samolotów. Elastyczne płachty można byłoby np. położyć na skrzydłach samolotu, ogrzewać je elektrycznie i w ten sposób sprawnie usuwać lód – zastanawia się badacz. Ma nadzieję, że znajdą się firmy zainteresowane wdrożeniem tych rozwiązań.
Dr Janas badania nad nanorurkami rozpoczął na Uniwersytecie Cambridge. W ubiegłym roku wrócił do Polski w ramach programu POLONEZ Narodowego Centrum Nauki.
Źródło: PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala
