美國辛辛那提大學(xué)的工程師正在與萊特 – 帕特森空軍基地合作，利用碳納米管制造可以為手機(jī)充電的服裝。

使這成為可能的是碳納米管的獨(dú)特性質(zhì)：大的表面區(qū)域，堅(jiān)固，導(dǎo)電和耐熱。

加州大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與空軍研究實(shí)驗(yàn)室簽訂了為期五年的協(xié)議，開展可以增強(qiáng)軍事技術(shù)應(yīng)用的研究。

加州大學(xué)教授Vesselin Shanov與UC的納米世界實(shí)驗(yàn)室共同負(fù)責(zé)研究合作伙伴和UC教授Mark Schulz。他們共同利用他們在電氣，化學(xué)和機(jī)械工程方面的專業(yè)知識來制造可以為電子設(shè)備供電的“智能”材料。

“主要的挑戰(zhàn)是將這些美麗的特性轉(zhuǎn)化為利用它們的強(qiáng)度，導(dǎo)電性和耐熱性，”Shanov說。

舒爾茨表示，制造業(yè)處于碳復(fù)興的尖端。碳納米管將取代汽車和飛機(jī)中的銅線，以減輕重量并提高燃油效率。碳將過濾我們的水，并通過新的生物識別傳感器告訴我們更多關(guān)于我們的生命和身體。

碳將取代聚酯和其他合成纖維。由于碳納米管是地球上最黑的物體，吸收了99.9%的可見光，你可能會(huì)說碳是新的黑色。

“在過去，金屬主導(dǎo)制造業(yè)，”舒爾茨說?！暗艺J(rèn)為碳會(huì)在很多應(yīng)用中取代金屬。

“將會(huì)有一個(gè)新的碳時(shí)代 – 碳革命，”舒爾茨說。

UC的Nanoworld實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)30名研究生和本科生的集體工作。

其中之一，UC研究助理Sathya Narayan Kanakaraj，共同撰寫了一項(xiàng)研究，研究如何提高干法紡制碳納米管纖維的拉伸強(qiáng)度。他的研究結(jié)果于6月發(fā)表在Materials Research Success雜志上。

研究生Mark Haase在過去的一年里一直在Wright-Patterson的空軍研究實(shí)驗(yàn)室探索碳納米管的應(yīng)用。通過合作，UC學(xué)生使用空軍實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)設(shè)備，包括X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描，來分析樣本。哈斯一直在使用空軍裝備來幫助他的同學(xué)們完成他們的項(xiàng)目。

“這促使我們分組工作并專業(yè)化。這些與我們在企業(yè)研究和行業(yè)中看到的動(dòng)力相同，”Haase說。“工程現(xiàn)在是一項(xiàng)團(tuán)體活動(dòng)，所以我們可以利用這一點(diǎn)?！?/p>

加州大學(xué)的研究人員通過稱為化學(xué)氣相沉積的過程在真空室中在加熱下在四分之一尺寸的硅晶片上“生長”納米管。

“每個(gè)粒子都有一個(gè)成核點(diǎn)。通俗地說，我們可以把它稱為種子，”Haase說。

“我們的含碳?xì)怏w被引入反應(yīng)堆。當(dāng)碳?xì)馀c我們的’種子’相互作用時(shí)，它會(huì)在表面上分解并重新形成。我們讓它生長到我們想要的尺寸，”他說。

研究人員幾乎可以使用任何碳，從酒精到甲烷。

“我記得有一群人使用Girl Scout餅干炫耀。如果它含有碳，你可以把它變成納米管，”Haase說。

UC的納米世界實(shí)驗(yàn)室在2007年創(chuàng)造了世界紀(jì)錄，通過種植延伸近2厘米的納米管，這是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的最長的碳納米管陣列。今天的實(shí)驗(yàn)室可以創(chuàng)造出更長時(shí)間的納米管。

加州大學(xué)的研究人員在實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)線軸上拉伸了小纖維方塊。突然間，這片微小的碳片變成了一種類似蜘蛛絲的紡線，可以編織成紡織品。

“這就像一種紡織品，”Shanov說?！拔覀兛梢韵駲C(jī)器線一樣組裝它們，并將它們用于各種應(yīng)用，包括傳感器，跟蹤水中的重金屬或儲(chǔ)能設(shè)備，包括超級電容器和電池?！?/p>

對于軍方而言，這可能意味著要更換重型電池，這些重型電池可以為越來越多的電子設(shè)備充電，這些電子設(shè)備構(gòu)成士兵的負(fù)載：燈光，夜視和通信設(shè)備。

“他們攜帶的重量的三分之一只是為所有設(shè)備供電的電池，”Haase說。“因此，即使我們可以稍微削減一點(diǎn)，這對他們來說也是一個(gè)很大的優(yōu)勢。”

醫(yī)學(xué)研究人員正在研究碳納米管如何幫助提供靶向劑量的藥物。

“在外面，你可以添加一種蛋白質(zhì)分子。細(xì)胞會(huì)閱讀并說，’我想吃那個(gè)。’ 因此，我們可以提供藥物來支持健康細(xì)胞，恢復(fù)生病細(xì)胞，甚至殺死癌細(xì)胞，“Haase說。

但首先研究人員希望確保碳納米管是無毒的。

“這就是為什么他們一直在緩慢行動(dòng)，”Haase說?！把芯堪l(fā)現(xiàn)，在高暴露或急性暴露下，碳納米管會(huì)導(dǎo)致類似于石棉的肺損傷。我們要做的最后一件事就是治愈一種癌癥，但卻發(fā)現(xiàn)它會(huì)給你一種不同的癌癥?！?/p>

初步結(jié)果很有希望。

不要在巴黎時(shí)裝秀上尋找碳納米管時(shí)裝。成本太高了。

“我們正在與那些更關(guān)心性能而不是成本的客戶合作。但是一旦我們完美合成，規(guī)模就會(huì)大幅增加，成本也會(huì)相應(yīng)下降，”Haase說?！叭缓笪覀儗⒖吹教技{米管擴(kuò)散到許多更多的應(yīng)用中?！?/p>

目前，UC的實(shí)驗(yàn)室可以一次生產(chǎn)約50碼的碳納米管線進(jìn)行研究。

“大多數(shù)大型紡織機(jī)器需要數(shù)英里的線程，”Haase說?！拔覀儠?huì)到那兒?！?/p>

在那之前，大規(guī)模生產(chǎn)仍然是碳納米管技術(shù)尚未解決的問題之一，空軍研究實(shí)驗(yàn)室材料與制造理事會(huì)負(fù)責(zé)人Benji Maruyama說?！霸跀U(kuò)大工藝范圍方面還有很多工作要做。將碳納米管纖維從硅盤中拉出來對于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究是有利的，但不適用于制造飛機(jī)機(jī)翼或飛行服，”Maruyama說。

他說：“唯一讓我們退縮的是破解制造碳納米管的規(guī)模?！?/p>

Maruyama試圖通過一系列使用名為ARES的自主研究機(jī)器人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)來解決這個(gè)問題。機(jī)器人使用碳納米管設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果，然后使用該數(shù)據(jù)和人工智能重新定義下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。他說，通過這種方式，它可以在與人類研究人員同時(shí)進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)。

“碳納米管的最大優(yōu)點(diǎn)是不缺材料。它只需要金屬催化劑 – 我們使用鐵和鎳 – 和碳。它并不稀缺，”Maruyama說?！耙虼耍?dāng)我們談?wù)撁磕晟a(chǎn)數(shù)百萬噸碳納米管時(shí)，我們并沒有制造數(shù)百萬噸稀有物?！?/p>

Shanov說，最終目標(biāo)是將UC的學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際問題的解決方案。

“我們在學(xué)術(shù)界擁有探索不同應(yīng)用的奢侈品，”Shanov說。“并非所有人都可以看到這個(gè)市場。但即使10%受到打擊，也會(huì)取得巨大成功?！?/p>

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