Les flammes à haute température sont utilisées pour créer une grande variété de matériaux, mais une fois que vous avez allumé un feu, il peut être difficile de contrôler la façon dont la flamme interagit avec le matériau que vous essayez de traiter. Les chercheurs ont maintenant développé une technique qui utilise une fine couche protectrice de molécule pour contrôler la façon dont la chaleur de la flamme interagit avec le matériau, apprivoisant ainsi le feu et permettant aux utilisateurs d'ajuster avec précision les caractéristiques du matériau traité.

"Le feu est un outil d'ingénierie précieux. Après tout, un haut fourneau n'est qu'un feu intense", explique Martin Thuo, auteur correspondant d'un article sur le travail et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'État de Caroline du Nord. "Cependant, une fois que vous avez allumé un incendie, vous avez souvent peu de contrôle sur son comportement."

"Notre technique, que nous appelons dégradation thermique inverse (ITD), utilise un film mince à l'échelle nanométrique sur un matériau ciblé. Le film mince change en réponse à la chaleur du feu et régule la quantité d'oxygène qui peut accéder au matériau. Cela Cela signifie que nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle le matériau chauffe, ce qui, à son tour, influence les réactions chimiques qui se produisent dans le matériau. Fondamentalement, nous pouvons affiner comment et où le feu modifie le matériau. "

Voici comment fonctionne l'ITD. Vous commencez avec votre matériau cible, comme une fibre de cellulose. Cette fibre est ensuite recouverte d’une couche de molécules d’une épaisseur nanométrique. Les fibres enduites sont ensuite exposées à une flamme intense. La surface externe des molécules brûle facilement, augmentant la température à proximité immédiate.

Mais la surface interne du revêtement moléculaire change chimiquement, créant une couche de verre encore plus fine autour des fibres de cellulose. Ce verre limite la quantité d’oxygène qui peut accéder aux fibres, empêchant ainsi la cellulose de s’enflammer. Au lieu de cela, les fibres couvent, brûlant lentement, de l'intérieur vers l'extérieur.

"Sans la couche protectrice de l'ITD, l'application d'une flamme sur les fibres de cellulose ne produirait que des cendres", explique Thuo. "Avec la couche protectrice de l'ITD, vous vous retrouvez avec des tubes en carbone."

"Nous pouvons concevoir la couche protectrice afin d'ajuster la quantité d'oxygène qui atteint le matériau cible. Et nous pouvons concevoir le matériau cible afin de produire les caractéristiques souhaitées."

Les chercheurs ont mené des démonstrations de validation de principe avec des fibres de cellulose pour produire des tubes de carbone à l'échelle microscopique.

Les chercheurs ont pu contrôler l'épaisseur des parois des tubes de carbone en contrôlant la taille des fibres de cellulose avec lesquelles ils ont commencé ; en introduisant divers sels dans les fibres (ce qui contrôle davantage la vitesse de combustion) ; et en faisant varier la quantité d'oxygène qui traverse la couche protectrice.

"Nous avons déjà plusieurs applications en tête, que nous aborderons dans de futures études", explique Thuo. "Nous sommes également disposés à travailler avec le secteur privé pour explorer diverses utilisations pratiques, telles que le développement de tubes en carbone pour la séparation huile-eau, qui seraient utiles à la fois pour les applications industrielles et pour l'assainissement de l'environnement."

Les travaux sont publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition .

Plus d'informations : Chuanshen Du et al, Pyrolyse dirigée spatialement via des adduits de surface à morphing thermique, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI :10.1002/anie.202308822

Informations sur le journal : Angewandte Chemie International Edition

Fourni par l'Université d'État de Caroline du Nord