Yeni karbon nanotüp fiber: cep telefonlarını şarj edebilen akıllı giysiler yaratmak için!
Kılavuz
Son zamanlarda, Cincinnati Üniversitesi ve Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü'ndeki mühendisler, akıllı telefonları şarj edebilen giysilere dokunabilen özel bir iplik türü oluşturmak için karbon nanotüpler kullandılar.
arka fon
"Iron Man" filmini izleyen arkadaşlar, kahraman Tony Stark'ın giydiği demir zırhı kesinlikle tanıyacaklar. Bu serbestçe kontrol edilebilen çelik zırh seti, Tony Stark'a imrenilecek pek çok olağanüstü yetenek kazandırır. Bununla birlikte, bu çelik zırhın enerji kaynağı, Demir Adam'ın göğsünde bulunan süper güç kaynağı cihazıdır (mini nükleer reaktör).
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Pek çok insan Iron Man benzeri zırh giymeyi hayal edecek, ancak göğsüne minyatür bir nükleer reaktör kurmak göz korkutucu olabilir ve neredeyse hiç kimse bu riski almak istemez. Ancak Iron Man'in giydiğine benzer şekilde her an şarj edilebilen bir takım akıllı giysiler bilim kurgu ile sınırlı değil, bilim adamları bunu gerçeğe dönüştürmeye çalışıyor. Aşağıda, yazarın daha önce tanıttığı bazı klasik araştırma örneklerini gözden geçirelim:
1) İsveçli bilim adamları, kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilen bir piezoelektrik kumaş geliştirdiler.Kumaş üzerindeki yük ne kadar büyükse, o kadar ıslanacak ve daha fazla elektrik üretecek. Şu anda, bu kumaş bir LED ışığı yakmak, radyo sinyali göndermek veya cep bilgisayarı veya dijital saat gibi küçük bir elektrik birimini çalıştırmak için yeterli elektrik üretiyor.
(Fotoğraf kredisi: Johan Bodell / Chalmers Teknoloji Üniversitesi)
2) Amerika Birleşik Devletleri Georgia Institute of Technology araştırmacıları, giyilebilir cihazlar, akıllı telefonlar ve akıllı donanımlar gibi elektronik ürünlere güç sağlamak için güneş ışığından ve egzersizden aynı anda enerji elde edebilen bir fiber kumaş geliştirdiler.Maliyeti düşük ve büyük ölçekte üretilebilir.
(Resim kaynağı: Georgia Teknoloji Enstitüsü)
3) Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Massachusetts Amster Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, nefes alabilen, esnek ve metal içermeyen elektrotları kumaşlara ve bitmiş giysilere entegre etmenin yeni bir yolunu keşfettiler. Bu şekilde yapılan "akıllı giysiler" sadece dokunuşta iyi hissettirmekle kalmaz, aynı zamanda insan hareketinin ürettiği enerjiyi küçük elektronik cihazlara güç sağlamak için elektrik enerjisine dönüştürebilir.
(Resim kaynağı: Massachusetts Amster Üniversitesi)
4) Manchester Üniversitesi, katı hal esnek bir süper kapasitör cihazı geliştirdi. İletken grafen oksit mürekkep kullanılarak serigrafi teknolojisi ile pamuklu kumaşlar gibi tekstiller üzerine direkt olarak basılabilmektedir.
(Resim kaynağı: Manchester Üniversitesi)
5) Dallas'taki Texas Üniversitesi'nden (UTD) ve Güney Kore'deki Hanyang Üniversitesi'nden bilim adamları tarafından yönetilen uluslararası bir bilimsel araştırma ekibi, gerildiğinde veya büküldüğünde elektrik üretebilen en son yüksek teknoloji ipliği "Twistron" u geliştirdi. Bu iplik, karbon nanotüplerden yapılmıştır ve esasen bir süper kapasitördür.
(Resim kaynağı: UTD)
6) Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi, kesildikten, katlandıktan veya gerildikten sonra işlevini kaybetmeyecek, kumaş benzeri bir güç kaynağı tasarladı.
(Resim kaynağı: Nanyang Teknoloji Üniversitesi, Singapur)
Yenilikçilik
Bugün gelin elektronik ürünlere güç verebilen akıllı bir giysiye bakalım. Son zamanlarda, Cincinnati Üniversitesi'ndeki (Cincinnati Üniversitesi) mühendisler, cep telefonlarını şarj edebilen bir kıyafet oluşturmak için Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü ile işbirliği yaptı. Bu giysinin gerçekleştirilmesi, karbon nanotüplerin benzersiz özelliklerinden kaynaklanmaktadır: büyük yüzey alanı, yüksek mukavemet, elektriksel iletkenlik ve ısı direnci.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Cincinnati Üniversitesi Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu ile ABD Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı arasında, askeri teknolojinin uygulanmasını iyileştirmek için araştırma konusunda işbirliği yapmak üzere beş yıllık bir anlaşma vardır. Profesör Vesselin Shanov ve Cincinnati Üniversitesi'nden Profesör Mark Schulz ve araştırma ortakları ortaklaşa Cincinnati Üniversitesi Nanoworld Laboratuvarlarını yönetti. Elektronik cihazlara güç sağlayan "akıllı" malzemeler oluşturmak için elektrik, kimya ve makine mühendisliğindeki uzmanlıklarını kullanırlar.
Shanov, "Asıl zorluk, bu güzel özellikleri güçlerini, iletkenliklerini ve ısı direncini kullanacak şekilde dönüştürmek." Dedi.
Profesör Vesselin Shanov, Nanoworld Laboratuvarı'nda yetiştirilen bir karbon nanotüp elyafı örneğini tutuyor.
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
Cincinnati Üniversitesi'ndeki Nano Lab, 30 yüksek lisans ve üniversite öğrencisinin toplu araştırmasına rehberlik etti. Makalenin ortak yazarlarından biri ve Cincinnati Üniversitesi'nde araştırmacı olan Sathya Narayan Kanakaraj, kuru bükülmüş karbon nanotüp liflerinin gerilme mukavemetini iyileştirmek için birçok yöntemi test etti. Araştırma sonuçları Haziran ayında Materials Research Success dergisinde yayınlandı.
Son birkaç yıldır, yüksek lisans öğrencisi Mark Haase, Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü'nde karbon nanotüp uygulaması üzerinde çalışıyor. İşbirliği yoluyla, Cincinnati Üniversitesi'ndeki öğrenciler, numuneleri analiz etmek için X-ışını bilgisayarlı tomografi dahil olmak üzere Hava Kuvvetleri Laboratuvarı'ndan karmaşık ekipman kullandılar. Haase, öğrencilerin projelerine yardımcı olmak için Hava Kuvvetleri ekipmanı da kullanıyor.
teknoloji
Schulz, karbon bazlı ürünlerin üretiminin bir rönesans sürecinden geçtiğini söyledi. Karbon nanotüpler, arabalar ve uçaklardaki bakır tellerin yerini alacak, ağırlığı azaltacak ve yakıt verimliliğini artıracak. Karbon, içme suyunu filtrelemek ve bize yaşam ve vücut hakkında daha fazla bilgi veren yeni biyometrik sensör türleri yapmak için kullanılabilir.
Karbon, polyester ve diğer sentetik elyafların yerini alacak. Karbon nanotüpler yeryüzünde bulunan en karanlık nesneler olduğundan ve görünür ışığın% 99,9'unu soğurabildiğinden, karbonun "yeni siyah" olduğunu söyleyebilirsiniz (siyah moda dairesindeki en klasik renktir, peki belirli bir yılda hangi renk popülerdir? , Bu renk "yeni siyah" dır.) Başka bir deyişle, "karbon" bir anda çok popüler oldu.
Schulz, "Geçmişte, üretimin ana ürünü metaldi. Ancak, birçok uygulamada karbonun metalin yerini alacağını düşünüyorum." Dedi. Gelecek yeni bir karbon çağı, bir karbon yeniliği olacak. "
Cincinnati Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, ısıtılmış bir vakum odasında çeyrek boyutlu silikon gofretten nanotüpleri "büyütmek" için bir "kimyasal buhar biriktirme" işlemi kullandılar.
Mühendisler, mor silikon gofretler üzerinde karbon nanotüpler geliştiriyor
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
Haase şunları söyledi: "Her parçacığın bir çekirdeklenme noktası vardır. Uzman olmayanların deyimiyle, biz ona tohum diyoruz. Karbon içeren gaz reaktöre verilir. Karbon gazı tohumla reaksiyona girdiğinde", parçalanır ve Yüzey yeniden düzenlendi. İstenilen boyutta büyümesine izin verdik. "
Araştırmacılar, etanolden metana kadar hemen hemen her karbon içeren maddeyi kullandılar. Haase, "Kız İzci bisküvileri ile sonuçlarını gösteren bir grubu hatırlıyoruz. Karbon içerdiği sürece onu nanotüplere dönüştürebilirsiniz." Dedi.
2007 yılında, Cincinnati Üniversitesi'ndeki Nanoworld Laboratuvarı bir dünya rekoru yarattı ve o sırada laboratuvarda oluşturulan en uzun karbon nanotüp dizisi olan yaklaşık 2 cm uzunluğundaki karbon nanotüpleri ürettiler. Günümüzde laboratuvarın oluşturabileceği nanotüpler kat kat daha uzun.
Cincinnati Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, küçük elyaf karelerini çıkarmak için laboratuvarda endüstriyel makaralar kullandılar. Birdenbire, bu küçük karbon pul, örümcek ipeğine benzer ve kumaşa dokunabilen bir tür eğrilmiş iplik haline gelir.
Karbon nanotüp lifleri yüksek mukavemetli tellere dönüşür.
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
Örümcek ipeği gibi, bu karbon nanotüp fiber de esnemeye dayanabilir.
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
Karbon nanotüp lifleri, deneyde özelleştirilmiş bir eğirme makinesi kullanılarak ince iplikler halinde eğrildi.
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı Malzeme ve Üretim Bürosu başkanı Benji Maruyama, büyük ölçekli seri üretimden önce hala karbon nanotüp teknolojisinde çözülmesi gereken en büyük sorunlardan biri olduğunu söyledi. Maruyama, "Üretim ölçeğini genişletmek için hala yapılacak çok iş var. Karbon nanotüp liflerinin silikon diskten soyulması laboratuvar ölçekli araştırmalar için uygun, ancak uçak kanadı veya uçuş giysisi üretimi için uygun değil." Dedi. Bizi engelleyen şey, büyük ölçekli karbon nanotüp üretimidir. "
Maruyama, bu sorunu çözmek için bir dizi deney yapmaya çalışıyor ve bunların arasında otomatik araştırma robotu "ARES" kullanıyor. Bu robot, karbon nanotüp deneyleri tasarlar ve yürütür, sonuçları analiz eder ve ardından bir sonraki deneyin parametrelerini tanımlamak için verileri ve yapay zekayı kullanır. Aynı zamanda bu şekilde gerçekleştirilen deney sayısı, insan araştırmacıların gerçekleştirdiği deney sayısının 100 katıdır.
değer
Shanov, "Tam olarak kumaş gibi. Onları bir makine hattı gibi birleştirebilir ve bunları suda ağır metalleri izleyen sensörler veya süper kapasitörler ve piller dahil enerji depolama cihazları gibi çeşitli alanlara uygulayabiliriz." Dedi.
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
Ordu için, hacimli pillerin yerini alabilir ve bu hacimli piller, askerlerin ekipmanını oluşturan daha fazla elektronik cihaza güç sağlayabilir: ışıklar, gece görüşü ve iletişim ekipmanı.
Haase, "Çünkü taşıdıkları ağırlığın üçte biri tüm ekipmana güç sağlayan bataryadır. Bu nedenle, ondan biraz ağırlığı azaltabilsek bile, savaştaki askerler için çok faydalı olacaktır" dedi.
Tıp araştırmacıları ayrıca karbon nanotüplerin belirli bir dozda hedeflenen ilaçların salınmasına nasıl yardımcı olabileceğini araştırıyorlar.
Haase şunları söyledi: "Dışarıdan bir protein molekülü ekleyebilirsiniz. Hücre onu okuyacak ve 'Onu yemek istiyorum' diyecek. Böylece sağlıklı hücreleri desteklemek, hasta hücreleri onarmak ve hatta kanser hücrelerini öldürmek için ilaç salabiliriz." Ancak önce araştırmacılar, karbon nanotüplerin toksik olmadığından emin olmalıdır.
Haase şunları söyledi: "Bu yüzden çok yavaş ilerliyoruz. Çalışmalar, asbeste benzer şekilde, karbon nanotüplere daha fazla veya akut maruz kalmanın akciğer hasarına neden olabileceğini buldu. Yapmak istediğimiz son şey bir kanseri iyileştirmek. Sonra sana başka bir tür verdiğini buldum. "
Araştırmanın ilk sonuçları çok umut verici. Haase, karbon nanotüplerin mevcut maliyeti hala çok yüksek olsa da, "Maliyetten çok performansa daha fazla önem veren müşterilerle çalışıyoruz. Ancak karbon nanotüpleri mükemmel bir şekilde sentezlediğimizde, çıktı keskin bir şekilde artacak ve maliyet de artacak. Buna göre azalacak. Ardından, karbon nanotüplerin daha fazla alana uygulanacağını göreceğiz. "
Şimdilik, Cincinnati Üniversitesi'ndeki laboratuvar tek bir çalışmada 50 yarda karbon nanotüp üretti. Haase, "Büyük ölçekli tekstil makinelerinin çoğu kilometrelerce ipliğe ihtiyaç duyar ve biz bu amaca ulaşacağız." Dedi.
Maruyama şunları söyledi: "Karbon nanotüplerin en büyük avantajı, malzeme sıkıntısı olmamasıdır. Sadece metal katalizörler (demir ve nikel kullanıyoruz) ve karbon gerektiriyor. Bunlar nadir malzemeler değil. Dolayısıyla, sayıları hakkında konuştuğumuzda Milyonlarca ton karbon nanotüple, milyonlarca ton nadir malzeme üretmiyoruz. "
Shanov, nihai amacın Cincinnati Üniversitesi'nin akademik araştırmasını pratik sorunlara çözümlere dönüştürmek olduğunu söyledi. "Akademik araştırmanın farklı uygulamalarını keşfetmek bizim için bir lüks. Hepsi listelenemiyor, ancak% 10'luk bir liste çıksa bile bu çok büyük bir başarı." Dedi.
Anahtar kelime
Karbon nanotüpler, akıllı giysiler, giyilebilir teknoloji
Referans
[1]
[2]
