制造纳米技术的挑战

我们都知道石墨烯碳的新奇迹材料——一张只有一个原子厚难以置信的强大,非常轻,几乎透明的和杰出的进行电力和热能。它有可能彻底改变我们储存能源,清洁我们的饮用水和创建一个全新的一代的灵活的电子设备。简而言之,纳米技术是未来。和所有这些粒子将来自十万倍小于人类头发的宽度。

虽然大部分的炒作往往是在“二维”的石墨烯,碳纳米管(碳纳米管)-卷起石墨烯已经悄悄地抢。事实上,碳纳米管已经与我们很多时间比石墨烯。我们知道空心碳纳米纤维观察早在1950年代,研究人员一直在积极研究碳纳米管自1990年代初。因此,碳纳米管的制造技术是比较成熟的,每年有几千吨产生——不像高质量石墨烯仍很难在大量生产。

但这绝不是故事的结尾。虽然这在生产能力令人印象深刻,还有主要挑战克服在碳纳米管可以真正开始发挥他们的潜力。大多数工程应用程序所需要的材料是由多个碳纳米管-和困难所在。虽然单个纳米粒子显示这些属性,旁边放一个很多人没有仔细工程之间的交互,他们开始失去他们的特殊能力。事实上,机械和电气数据价值的纳米粒子的集合至少下降了一个数量级相比,单个粒子。

我们了解如何使碳纳米管和数量相对大的可以这样做。我们现在需要学习的是如何结构和组织的方式组装成一个设备时,他们保持他们的属性。在很大程度上,这是一个制造业的挑战。目前,大多数碳纳米管产品使用传统制造业的技术处理,如注塑CNT-polymer不给我们任何的复合材料结构控制纳米粒子的排列,并限制他们可以提供的材料属性。通过开发新技术,使我们能够使设备包含有组织的纳米粒子我们应该能够实现一个戏剧性的改善他们的表现和开放一系列新的应用可能性。

这正是IfM NanoManufacturing集团正试图做的。团队成立于两年前,本身就是一个示范的快速扩大,有五个工程师,四个化学家、两个物理学家和两个材料科学家已经在帖子。nanomanufacturing的挑战是如此复杂的一个,我们需要一个多学科小组来解决它,以及其他大学的合作,广泛的行业,离家更近的地方,部门的合作者工程、材料科学、化学、化学工程和卡文迪什实验室。我们也非常密切地与其他研究中心的IfM同样从事开发新的先进的材料和制造工艺。

这种协作方法的一个很好的例子是EPSRC-funded项目“先进纳米管应用和制造计划”,这是召集工程师和材料科学家从剑桥大学和阿尔斯特与一群工业合作伙伴扩大一个独特的体制造方法表和纱线的排列碳纳米管。这些将用于新一代轻质复合材料,可以提供一个替代铜电线要轻得多,例如,航空航天应用和高性能电动马达。

IfM NanoManufacturing集团也专注于技术的发展可以组织纳米颗粒成分层的上层建筑。同时为了达到这个目标,我们正在研究如何优化材料性能在三个长度尺度:在纳米尺度上表面化学、微尺度的形式和结构,在大规模粒子集成到设备。在欧洲研究委员会的资助下,欧盟居里夫人计划EPSRC,该集团正在研究的新方法制造这样的基于碳纳米管的设备,例如,光刻技术结合化学工程技术。

我们已经做了一个重大突破生产的微观结构表面,这是发表在最近一期的《自然通讯。微结构表面可以表现出各种有用的属性,包括可控机械刚度和强度。他们甚至可以模拟复杂的结构上发现某些植物和动物的皮肤,使其可能产生的表面,能防水或粘合剂的特点体现在一些昆虫。这种技术是通过导致碳纳米管弯曲随着他们的成长,形成可控的复杂形状的三维空间(见右)。这个过程也可以用于工程师其他属性,如电气和热导率和化学反应活性,通过附加各种碳纳米管涂层。与此同时,我们的技术已经得到有效使用,使表面被用作化学微型传感器、电池和仿生智能表面。

纳米技术的承诺,数十亿美元的公共资金,继续被各国政府花在研究上。我们现在到达一个临界点,我们了解许多纳米颗粒的物理性质以及如何生产足够商业化开始他们的旅程。事实上,它可能会惊讶的发现,碳纳米管已经被使用在各种各样的产品,从体育用品商业和电池汽车和防弹背心。这仅仅是个开始:我们很快就会看到这些小而强大的结构被许多不同的用途。