Pensez-y comme cuisiner avec des spaghettis au carbone :un chercheur de l'Université d'État du Kansas développe de nouvelles façons de créer et de travailler avec des nanotubes de carbone - des tubes ultra petits qui ressemblent à des morceaux de spaghetti ou de ficelle.
Ces nanotubes de carbone - faits de graphène, une feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome - contient les ingrédients parfaits pour améliorer les détecteurs laser et les batteries rechargeables, selon les recherches de Gurpreet Singh, professeur assistant en génie mécanique et nucléaire. Singh travaille sur plusieurs projets avec des nanotubes de carbone et un matériau céramique dérivé de polymères.
Un projet implique de nouvelles façons de cuisiner ou de créer un matériau de nanotube de carbone en céramique. La façon classique de fabriquer ce type de matériau est de prendre un polymère liquide, versez-le dans un moule et chauffez-le dans un four jusqu'à ce que le polymère forme une céramique.
L'équipe de Singh a essayé une nouvelle approche. Ils sont parmi les premiers à créer leur propre polymère liquide modifié avec quatre ingrédients :du silicium, bore, carbone et azote. Mais plutôt que de chauffer ce polymère liquide dans un four, ils l'ont chauffé dans un micro-ondes conventionnel - le genre utilisé dans les cuisines. Ils ont découvert que le micro-ondes chauffe les nanotubes aussi bien qu'un four.
"Ce que nous avons fait, c'est réduire le temps de construction de la céramique, " dit Singh. " Si vous utilisez un four ou un radiateur, vous devez le chauffer pendant un certain temps. Avec le micro-ondes, il chauffe rapidement en quelques minutes."
Leur travail - co-écrit avec leur collègue universitaire William Kuhn, professeur de génie électrique et informatique -- récemment paru dans la revue Matériaux appliqués et interfaces , publié par l'American Chemical Society. Une autre publication portant sur le traitement conventionnel paraîtra dans le Journal de l'American Ceramic Society .
Une fois ce matériau céramique nanotube de carbone créé, il a de multiples applications. L'équipe de Singh est impliquée dans un projet avec l'équipe de radiométrie laser du National Institute of Standards and Technology, ou NIST, à Boulder, Colo., qui travaille à développer des méthodes de mesure pour les lasers industriels de haute puissance pour la fabrication.
L'équipe de Singh aide l'institut à améliorer la mesure de la puissance laser. Actuellement, les mesures laser impliquent un détecteur de cuivre en forme de cône recouvert de peinture au carbone. Le laser brille à travers le cône, est absorbé par la peinture noire, chauffe le cône de cuivre, puis chauffe une cascade à l'arrière du détecteur. En mesurant la montée en température de l'eau, les scientifiques peuvent déterminer l'énergie du laser.
L'équipe Singh a amélioré ce processus en fabriquant le détecteur en forme de cône à partir d'un matériau composite de nanotubes de carbone en céramique. Parce que la céramique peut résister à des températures élevées, il protège les nanotubes, qui absorbent la lumière laser pour chauffer le cône.
"Nous vérifions la stabilité du matériau, " a déclaré Singh. "Nous le caractérisons, puis envoyons les échantillons au NIST pour les tester."
Un autre projet de l'équipe de Singh utilise le matériau de nanotube de carbone en céramique pour améliorer les performances des batteries rechargeables. Le matériel aborde quatre façons d'améliorer les batteries rechargeables :avoir une plus grande capacité de stockage, avoir une autonomie plus longue, recharger rapidement et fournir beaucoup de puissance en peu de temps.
Ces matériaux céramiques peuvent stocker de manière réversible le lithium, ce qui signifie que le lithium peut y entrer et en sortir. Les batteries rechargeables actuelles utilisent du graphite pour stocker le lithium. Mais comme le graphite s'use, une batterie devient moins efficace et restera chargée moins longtemps.
La capacité de se recharger rapidement et de fournir beaucoup de puissance en peu de temps est particulièrement essentielle pour les voitures électriques. De nombreuses conceptions de voitures électriques actuelles mettent plusieurs heures à se recharger et mettent beaucoup de temps à accélérer. Les scientifiques qui souhaitent créer une batterie pouvant se recharger en quelques minutes et fournir de l'énergie rapidement peuvent désormais avoir une solution.
L'équipe de Singh a déjà connu un succès précoce avec son travail :des recherches préliminaires montrent que lorsque le matériau céramique est utilisé dans les batteries, il double ou triple la capacité de la batterie pour un courant élevé. Le matériau est également thermodynamiquement stable, il peut donc survivre à des cycles plus longs.
"Ce serait vraiment bien d'avoir un matériau qui a une grande capacité, peut être chargé rapidement et est également stable, " dit Singh. "Avec ce matériau céramique, il doit être suffisamment solide pour qu'au fil du temps il ne se dégrade pas. C'est le but ultime."
Leur travail sur batterie paraîtra plus tard cette année dans le journal Nanomatériaux et énergie , publié par l'Institution des ingénieurs civils. Les chercheurs chargent et rechargent actuellement les batteries pendant plusieurs cycles pour comprendre combien de temps les batteries fabriquées à partir de ces matériaux peuvent durer.
Un dernier projet de l'équipe de Singh implique l'utilisation de « nano-doigts, " qui sont des aiguilles pointues en tungstène qui peuvent sonder et ramasser des nanotubes de carbone. Les chercheurs utilisent ces nano-doigts sous un microscope électronique pour effectuer des études avec des nanotubes de carbone individuels et des nanofils en céramique.
La recherche de Singh a été financée avec 57 $, 000 du programme EPSCoR avec la National Science Foundation. Son équipe de recherche se compose de deux étudiants diplômés - Romil Bhandavat et Lamuel David, tous deux doctorants en génie mécanique, Inde, -- et un étudiant de premier cycle, Uriel Barrera, un étudiant en deuxième année en génie mécanique, Olathe.
