Geheim ontrafeld van ultralichte en zeer sterke nanobuisjes

ENGINEERINGNET.BE - Het Lawrence Livermore National Laboratory startte 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. Daarna is het metaal verwijderd zodat dubbele koolstofbuisjes overbleven, nog steeds in een boomstapel patroon.

‘Het materiaal werd niet of nauwelijks minder stijf als ze meer ruimte lieten tussen de buisjes’, aldus hoogleraar Patrick Onck.

Uit modellering 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.’

Ook zitten de binnenste en buitenste buis aan elkaar vast met een soort spijlen. ‘Onze modellen laten zien dat die spijlen essentieel zijn voor de stijfheid van het materiaal.’ Op deze manier werd duidelijk waarom de buisjes stijf bleven bij een lagere dichtheid.

‘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 andere, mechanisch voordelige vormen kunnen plaatsen.’

Om dit soort nanomaterialen te maken, zijn wel geavanceerde 3D printers nodig. ‘We denken dat in de nabije toekomst industriële productie voor specifieke toepassing mogelijk moet zijn’, zegt Onck.

Het poreuze materiaal is toe te passen in micro-elektromechanische systemen en andere kleine objecten. ‘Ook is dit soort materiaal nuttig bij de productie van batterijen, of andere toepassingen die een groot oppervlak nodig hebben zoals katalysatoren of warmtewisselaars.’