banner
Апр 28, 2020
82 Просмотров

Уголь раскрывает изощренную сторону: грязный углерод можно использовать для изготовления множества полезных устройств

Dirty carbon reveals a sophisticated side

Tar, повседневный материал, который герметизирует швы на наших крышах и проездах, имеет неожиданную и недооцененную сложность, по мнению исследовательской группы MIT: когда-нибудь пригодится в качестве сырья для различных высокотехнологичных устройств, включая системы накопления энергии, термически активные покрытия и электронные датчики.

И это не просто гудрон. Профессор Джеффри Гроссман придерживается иного взгляда на другие виды ископаемого топлива. Вместо того чтобы использовать эти материалы в качестве дешевого товара для сжигания, герметизации трещин или утилизации, он видит потенциал для широкого спектра применений, которые используют преимущества очень сложной химии, заложенной в этих древних смесях производных углерода из биомассы

Значительным преимуществом таких приложений является то, что они обеспечивают способ перепрофилирования материалов, которые в противном случае были бы сожжены, добавляя к выбросам парниковых газов или утилизации на свалках. Такое использование может привести к «озеленению» угля, наносящего вред климату, и других материалов на основе углерода, говорит Гроссман.

В своем последнем исследовании Гроссман вместе с постдоком Синином Цангом, научным сотрудником Николой Ферралисом и пятью другими, нашли способы использования угля, смолы и пека для получения тонких покрытий с высоко контролируемой и воспроизводимой электропроводностью, пористостью, и другие свойства. Используя лазер, они смогли изготовить прототип устройства из недорогих, вездесущих материалов, включая суперконденсатор для хранения электричества, гибкий тензодатчик и прозрачный нагреватель.

Работа, описанная в журнале Science Advances , исследует альтернативные способы использования углеродистых тяжелых углеводородов, которые сформировались в течение миллионов лет геологической обработки разложившегося растительного вещества под воздействием тепла и давления. Эти материалы, говорит Гроссман, предоставляют богатое разнообразие атомных конфигураций с различными химическими и структурными свойствами, не имеющими аналогов ни в каких синтетических обработанных наноматериалах на основе углерода.

Чтобы использовать эти свойства материала, команда использовала процесс, называемый лазерным отжигом, для создания ультратонких слоев углеродистых материалов, нанесенных на подложку. Они производили специальные функциональные устройства путем нанесения и травления рисунков в слоях, выполненных из различных углеродных материалов.

В В некотором смысле команда обратила внимание на традиционную переработку ископаемого топлива, при которой сложная смесь углеводородов проходит стадию после стадии разрушения химических связей и разделения различных соединений. В этой работе различные виды тяжелых углеводородных комплексов использовались в том виде, в каком они есть, с использованием самых разнообразных свойств, которые можно найти в различных материалах – таких как уголь, смола с паровым крекингом и мезофазная смола, большинство из которых это либо побочные продукты, которые обычно необходимо утилизировать, либо топливо, которое быстро выводится из употребления.

Через Комбинация выбора правильного материала исходного материала и изменения времени и силы лазерных импульсов, используемых для отжига материала, позволила команде контролировать диапазон физических, оптических, электрических, магнитных и других свойств. Они говорят, что, комбинируя различные материалы, можно было бы одновременно производить целый ряд устройств на одной подложке.

«Тогда мы можем создать все, от графена до каких-то ароматически богатых полимеров, – говорит Ферралис, – и со свойствами, которые могут широко меняться – от тепловых и электрических изоляторов до тепловых и электрических проводников. Мы можем изменить пористость, поэтому это позволяет нам не только создавать сплошные пленки, но и создавать материалы с высокой пористостью, что позволяет нам создавать мембраны. “

Этот ассортимент свойств материала можно смешивать и подбирать, возможно, позволяя, например, создавать разнообразные углеродистые «чернила» для трехмерной печати, говорит он.

«Но вместо того, чтобы менять цвета, – говорит Ферралис, – вы на самом деле меняете тип своего предшественника. Вы добавляете немного больше смолы. чуть меньше, или чуть больше других вещей, которые мы подчеркнули в pape р. Это может дать, например, возможность изготавливать из одной и той же пленки мембрану, электрическое устройство, систему накопления энергии и т. Д. И т. П. По требованию ».

Материалами могут быть практически любые виды тяжелых углеводородов, многие из которых существуют в большом количестве в виде отходов производства нефти или химической обработки. то, что мы ищем, это любой материал, который является тяжелым в ароматических веществах, то есть тяжелые углеводороды, которые люди не знают, что с ним делать, – говорит Занг. – Значит, мы довольно агностики в отношении того, что мы можем использовать ».

Используя точно синхронизированные и настроенные импульсы от лазера на углекислом газе, команда смогла контролировать свойства покрытого материал, взрывая его импульсами, которые могут генерировать сильно локализованные температуры до 2, 000 градусов Цельсия, оставляя при этом окружающие области настолько незатронуты, что процесс можно проводить даже на мягких подложках Они говорят, что как пластик.

«У нас это очень неоднородное, грязное сырье», – говорит Гроссман, «Но это так дешево и полно полезной химии.» Идея состоит в том, чтобы понять это достаточно хорошо, чтобы иметь возможность «применять простые, масштабируемые производственные инструменты, чтобы мы могли воспользоваться этим пониманием, чтобы заставить его сделать что-то другое для нас». Короче говоря, он говорит: «Мы находим этот материал, который ранее считался ограниченным в его использовании (например, только как топливо для сжигания), и, понимая его атомную структуру, мы можем применять принципы материалов дизайна и разработки, чтобы сделать его полезным в более широком смысле. “

В то время как эта первоначальная работа была сосредоточена на тонкой Ферралис говорит, что пленки – это настолько дешевое сырье, что в конечном итоге такие материалы можно использовать и для массового применения. «Если мы сможем расширить этот процесс до объемных систем, это может быть использовано в конструкционных материалах, например, или для изоляции домов. Материал, который на самом деле требует много материала». Он может даже дать экономический импульс тем угледобывающим регионам, которые в настоящее время страдают от распада угольной электростанции, и стать производителями целого нового семейства более ценных продуктов, считает он.


Эта история была опубликована благодаря MIT News (http://web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, который освещает новости об исследованиях, инновациях и обучении MIT.

Article Categories:
Интересно
banner

Добавить комментарий

99