Eine neue Möglichkeit, Brände zu bekämpfen – Wissenschaftler entwickeln ein neues Material im Nanomaßstab

Hochtemperaturflammen sind für die Herstellung vieler Materialien unerlässlich. Allerdings kann die Kontrolle eines Feuers und seiner Wechselwirkung mit den vorgesehenen Materialien eine Herausforderung darstellen. Wissenschaftler haben nun eine Methode entwickelt, die mithilfe einer Schutzschicht aus dünnen Molekülen kontrolliert, wie die Hitze der Flamme mit dem Material interagiert – so wird das Feuer gezähmt und es Benutzern ermöglicht, die Eigenschaften des verarbeiteten Materials fein abzustimmen.

„Feuer ist ein wertvolles technisches Werkzeug – ein Hochofen ist nichts anderes als ein intensives Feuer“, sagt Martin Thue, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der North Carolina State University. Wenn Sie jedoch einmal ein Feuer entfacht haben, haben Sie oft kaum Kontrolle über sein Verhalten.

Unsere Technologie, die wir Inverse Thermal Degradation (ITD) nennen, nutzt a nanoskalig Ein dünner Film über einem Zielmaterial. Der dünne Film verändert sich als Reaktion auf die Hitze des Feuers und reguliert die Sauerstoffmenge, die das Material erreichen kann. Das bedeutet, dass wir die Geschwindigkeit steuern können, mit der ein Material erhitzt wird – was wiederum Auswirkungen auf die chemischen Reaktionen hat, die im Material stattfinden. Grundsätzlich können wir anpassen, wie und wo Feuer Materialien verändert.“

So funktioniert ITD. Beginnen Sie mit Zielmaterialien wie Zellulosefasern. Anschließend werden diese Fasern mit einer nanometerdicken Partikelschicht überzogen. Anschließend werden die beschichteten Fasern einer intensiven Flamme ausgesetzt. Die äußere Oberfläche der Partikel verbrennt leicht, wodurch die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung steigt. Doch die innere Oberfläche der molekularen Beschichtung verändert sich chemisch und es entsteht eine dünnere Glasschicht um die Zellulosefasern. Dieses Glas begrenzt die Menge an Sauerstoff, die die Fasern erreichen kann, und verhindert so, dass die Zellulose in Flammen aufgeht. Stattdessen sind die Fasern verkohlt und verbrennen langsam von innen nach außen.

„Ohne die ITD-Schutzschicht würde die Beflammung von Zellulosefasern zu Asche führen“, sagt Thue. Mit der ITD-Schutzbeschichtung erhalten Sie Carbonrohre.

Wir können die Schutzschicht so gestalten, dass die Menge an Sauerstoff, die das Zielmaterial erreicht, angepasst wird. Und wir können das Zielmaterial so konstruieren, dass es die gewünschten Eigenschaften erzeugt.“

Die Forscher führten Proof-of-Concept-Demonstrationen mit Zellulosefasern zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren durch.

Die Forscher können die Dicke der Kohlenstoffrohrwände steuern, indem sie die Größe der Zellulosefasern steuern, mit denen sie beginnen. durch Einbringen verschiedener Salze in die Fasern (die die Verbrennungsgeschwindigkeit weiter steuern); Und indem die Menge an Sauerstoff verändert wird, die durch die Schutzschicht gelangt.

„Wir haben bereits viele Anwendungen im Kopf, die wir in zukünftigen Studien untersuchen werden“, sagt Tho. „Wir sind auch offen für eine Zusammenarbeit mit dem Privatsektor, um verschiedene praktische Anwendungen zu erkunden, wie zum Beispiel die Entwicklung technischer Kohlenstoffnanoröhren für die Öl-Wasser-Trennung – die sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Umweltsanierung nützlich wären.“

Referenz: „Räumlich gerichtete Pyrolyse durch thermische Übertragung von Oberflächen“ von Chuanshen Du, Paul Gregory, Dhanush U. Jamadjni, Alana M. Pauls, Julia J. Chang, Rick W. Dorn, Andrew Martin, E. Johan Foster, Aaron J . Rossini und Martin Thaw, 19. Juli 2023, hier verfügbar. Angwandt Kimi.
DOI: 10.1002/ange.202308822