Pulbrist valmistatud fiibritel on mitmeid potentsiaalseid rakendusi.
Mitmed olulised tehnoloogiad patarei elektroodidest ning ülijuhtivatest juhtmetest kuni katalüsaatoriteni kütuseelementides tuginevad materjalidele, mis koosnevad pulbriks tehtud osakestest, millega ümber käimine osutub tihti küllaltki keerukaks. Hiljuti said aga Texase Ülikooli teadlased hakkama uue saavutusega, mis võib tulevikus lihtsustada mitmeid seesuguseid tehnoloogiaid ning anda teed ka mitmetele uutele radikaalsetele tehnoloogiatele. Nimelt demonstreerisid teadlased kasulikke pulbriks tehtud materjale sisaldavate nanotorude lõngaks ketramist, vahendab technologyreview.com.
Nanokangas: Süsinik-nanotorude kiud venitatakse välja ning kedratakse lõngaks. Pildil näha olevate ribade laius on 5,5 sentimeetrit. Pilt: Science/AAAS
Teadlased kasutasid seda meetodit valmistamaks lõngaribasid, mis käitusid kui patarei elektroodid. Samuti valmistati ülijuhtivate omadustega ning ka isepuhastuvaid lõngasid.
,,Pulbrid on väga olulised funktsionaalsed materjalid sest neil on väga suur pindala,” sõnas Ray Baughman, kes on Dallases asuva Texase Ülikooli MacDiarmidi NanoTech Instituudi juhataja. ,,Probleem on aga selles, et pulbrid, millel puudub kindel kuju, on raskesti kasutatavad.”
Liitium-ioon patarei elektroodides näiteks kasutatakse ära pulbrite suurt pindala, et salvestada rohkem laengut. Tüüpiliselt tuleb pulbreid hoida aga koos kas sideainete abil, mis lisavad massi ja tahkust, või tuleb need kokku pressida tahketeks struktuurideks, mis aga saavutatakse läbi keeruliste protsesside.
Baughmani sõnul teeb nende töögrupi poolt välja mõeldud tehnoloogia lihtsamaks terve hulga pulbriks tehtud materalidega töötamise. ,,Võid võtta pea iga pulbri ning muuta selle kootavaks, õmmeldavaks, sõlmitavaks või põimitavaks lõngaks,” väitis ta.
Esmalt kasvatasid teadlased keemilises reaktoris terve metsa vertikaalselt asetatud süsinik nanotorusid. Seejärel libistati nanotorudest üle rull, mis eraldas nanotorud pinnasest. Nanotorud moodustasid seejärel pika veniva ribaks – nn nanotoru kanga(nanotube web). Need kangad käituvad nanoosakeste ja pulbrite jaoks põhiainena. Teadlased pritsisid kanga pinda pulbriga ning ketrasid selle seejärel lõngaks. Nii jääb pulber kinni nanotoru kanga köitespiraalide sisse. ,,Kui seda pesta, siis jääb alles pea kogu pulber,” selgitas Baughman. Sel viisil saadud lõngade massist võib pulber moodustada 95-99 protsenti.
Lihtsas meetodis ülijuhtivate lõngade valmistamiseks kasutas Baughmani töögrupp pulbriks tehtud boori ning magneesiumi segu. Ülijuhtivate juhtmete valmistamise tavapärane protsess koosneb pulbri pakkimisest vasktorudesse ning nende kuumutamisest, misjärel need ligi kümme korda pikemaks venitatakse, et need siis juhtmetesse asetada. Ülijuhtivaid lõngasid on tarvis kuumutada vaid korra, et pulbrid lõõmutada ning neist seejärel ülijuhtiv kangas moodustada.
Pulbritele jäävad neid kasulikuks tegevad omadused alles, lisas Matteo Pasquali, keemilise ja biomolekulaarse inseneriteaduse professor Rice’i Ülikoolis, kes antud uurimustööga seotud pole. Põhimõtteliselt valmistatakse Baughmani meetodis osakestest fiibrid, selgitas ta. Kemikaalid saavad hõredate nanotorude vahel vabalt liikuda ning reageerida kangas olevate osakeste pindadega.
Pasquali juhib Rice’i Ülikoolis projekti, mille eesmärgiks on valmistada süsinik-nanotoru fiibreid, mis on väga tihedad ning seega ka ülitugevad ja hästi voolu juhtivad. Neid ainult nanotorudest koosnevaid fiibreid saaks tulevikus kasutada väikeste energiakadudega elektri ülekande kaablites või ülitugevates struktuurmaterjalides. ,,Kui on olemas fiiber, saab seda kedrata, seda polümeeri panna(näiteks klaaskiudu) või sellest kangast valmistada,” ütles Pasquali, kelle sõnul tekstiilitöötlus on võrdlemisi vähekulukas.
Baughmani töörühm valmistas patarei elektroodi liitium-raud-fosfaadi pulbrit kasutades. Aktiivsed materjalid moodustavad kangast pea 99 protsenti, tänu millele saaks selel abil valmistada kergeid patareisid.
Stanfordi Ülikooli kaasprofessor Yi Cui tegelb samuti tekstiilipõhiste energiat salvestavate seadmete välja töötamisega. Ta arvab, et tulevikus võiks igapäevaseid tehnikavidinaid energiaga varustada kaasaskantavad energiaallikad, mistõttu tekstiilist elektroodid oleksid selleks ideaalsed. Nende olulisteks omadusteks on maksumus, kaal ning võime kiiresti laaduda ning tühjeneda. Siiski ei sobiks nad hästi rakendustele milleks on vaja kõrget energiamahtuvust, nagu näiteks elektriautode akud.
Texase Ülikooli teadlased kavatsevad uurimust mitmes suunas jätkata. Lisaks erinevate pulbrite katsetamisele eksperimenteerivad nad ka nende erinevate sadestuste viisidega.
Tulevikus võiks lõngasid kasutada suurel hulgal strukturaalses tootmises vaja minevate materjalide valmistamisel. ,,Hetkel on mõttekam rääkida patareidest mitte lennukitiibadest, sest nendes on tarvis tohutus hulgas materjale,” selgitas Baughman.