EO

Het geheim van ultralichte maar zeer sterke nanobuisjes

08 november 2021 om 08:49 uur

Stappen in het productieproces van ultralichte maar stijve 'sandwich' nanobuizen. Illustratie Onck lab

Het is een voor de hand liggende vuistregel: wanneer je de dichtheid van een materiaal vermindert, verlaag je ook de stijfheid. Maar onderzoekers van het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory zagen dat materialen gemaakt van dubbele nanobuisjes hun stijfheid behielden als de dichtheid lager werd. RUG-materiaalwetenschappers modelleerden de buisjes en ontdekten hoe dat kan gebeuren.


In een artikel in Nature Materials laten de onderzoeksgroepen zien hoe lichtgewicht maar zeer stijf poreus materiaal is te maken.

 

De samenwerking begon tijdens de koffiepauze van een conferentie waar onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory hun eerste resultaten lieten zien van experimenten met poreus materiaal dat met een 3D printer was gemaakt. Ze hadden op een schaal van minder dan een micrometer met een polymeer een ‘boomstamstapel' geprint, waarin buisjes loodrecht op elkaar lagen. Dit materiaal is vervolgens gecoat met nikkel, waarna het polymeer door pyrolyse is verwijderd. Het koolstof uit het polymeer vormde tijdens de pyrolyse nanobuisjes aan de binnen- en buitenkant van de nikkellaag. Vervolgens is het metaal verwijderd, zodat dubbele koolstofbuisjes overbleven, nog steeds in een boomstapel patroon.

 

Model

"Wat fascinerend was aan hun experimenten was dat het materiaal niet of nauwelijks minder stijf werd wanneer ze meer ruimte lieten tussen de buisjes", zegt Patrick Onck. Hij is hoogleraar Micromechanica aan het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG. Het bestuderen van vervormingen in nanomaterialen via experimenten is nogal lastig, maar de onderzoeksgroep van Onck is gespecialiseerd in het bestuderen van materialen via computermodellen.

 

Onck zette een bachelor student aan het werk om een eerste theoretisch model te maken. Daarna ging een promovendus aan de slag om de koolstofbuisjes aan te pakken via eindige elementen modellering. Daaruit bleek dat wanneer de buisjes van polymeer verder uit elkaar werden geprint, de massaverdeling van de koolstof na pyrolyse veranderde.

 

"Tijdens pyrolyse diffundeert de koolstof door de nikkellaag en vormt zo de buitenste buis. Als de buizen op grotere afstand van elkaar liggen, verplaatst de koolstof zich sneller naar buiten wat een dikkere buitenste buis oplevert." Bovendien zitten de binnenste en buitenste buis aan elkaar vast met een soort spijlen. Daardoor krijgen ze een ‘sandwich-buis' structuur, net als grasstengels. Onck: "Onze modellen laten zien dat die spijlen essentieel zijn voor de stijfheid van het materiaal."

 

Op deze manier werd duidelijk waarom de buisjes stijf blijven bij een lagere dichtheid. Nu het geheim van ultralichte maar stijve nanobuisjes bekend is en het mechanisme goed is begrepen, zal het mogelijk zijn om nieuwe materialen te ontwerpen. "De techniek om dubbelwandige koolstof buisjes te maken is ook toe te passen op ander materiaal dat bestaat uit dit soort raamwerken. In die materialen zouden we de balken van polymeer op een andere, mechanisch voordelige vormen kunnen plaatsen", zegt Onck. "Nu we begrijpen hoe het werkt kunnen we die materialen in de computer optimaliseren."

 

Om dit soort nanomaterialen te maken zijn wel zeer geavanceerde 3D printers nodig, dus we zullen ze voorlopig niet in massaproducten zien. "Maar we denken dat in de nabije toekomst industriële productie voor specifieke toepassing mogelijk moet zijn", zeg Onck. Het poreuze materiaal is toe te passen in micro-elektromechanische systemen (MEMS) en andere kleine objecten. "Ook is het soort materiaal dat we hebben beschreven nuttig bij de productie van batterijen, of andere toepassingen die een groot oppervlak nodig hebben zoals katalysatoren of warmtewisselaars."

 

Gerelateerd nieuws

Treinen ontwerpen

Treinen ontwerpen

Binnenkort verschijnt de publicatie Treinen ontwerpen. Auteur van het boek, Niels Greif, was als ontwerper bijna vijf decennia betrokken bij Nederlandse Spoorwegen en maakte alles mee, van het eerste ontwerp, het …

Yale: 'Totale CO2-uitstoot E-voertuigen verbleekt bij die van fossiele voertuigen'

Yale: 'Totale CO2-uitstoot E-voertuigen verbleekt bij die van fossiele voertuigen'

Hoe groen is de elektrische auto-industrie eigenlijk, als je ook kijkt naar indirecte emissies in de toeleveringsketens van de voertuigcomponenten en opwekking van de elektriciteit? 'Groen', stelt Yale na een…

Worm van door lithium brengt batterijen weer tot leven

'Worm van dood lithium' wekt batterijen weer tot leven

Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University (VS) hebben een manier gevonden om oplaadbare lithiumbatterijen nieuw leven in te blazen, waardoor het…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

27 januari 2022, Amsterdam en online

The Things Conference

Conferentie over Lorawan

29 maart 2022, QuTech/TU Delft

RF Technology event

Het doel van dit evenement is om de diversiteit van toepassingen, innovaties en kennis op het gebied van...

25 april 2022, Hannover (De)

Hannover Messe

The lead theme Industrial Transformation spotlights the topics of digitalization and sustainability.

Meer agendapunten »