Absolwent Rice university Changsheng Xiang otrzymał włókna z płatków tlenku grafenu, które są zarówno tak silne w węzłach oraz splotach jak w dowolnym miejscu włókna wzdłuż jego długości, które zapewne znajdą zastosowanie w tkaniu zaawansowanych materiałów. Duże, dobrze rozwinięte płatki tlenku grafenu są nieodzownym składnikiem nowej recepty naukowców na solidne włókna węglowe, o właściwościach przewyższających nawet włókna wysoko grafitowe o zawartości ponad 99% węgla otrzymywane w bardzo wysokich temperaturach procesu pirolizy.
Włókna uzyskane na Rice University posiadają unikatowe własności związane z wytrzymałością splotu. Większość włókien ma tendencję do urywania się w miejscu powstania węzła pod działaniem siły rozciągającej. Jednakże włókno naukowców z Rice przejawia zjawisko które naukowcy określają “stuprocentową wydajnością węzła”, co oznacza że włókno jak bardziej podatne na zerwanie w dowolnym miejscu wzdłuż jego długości aniżeli w miejscu gdzie znajduje się supeł. “Grafenowa przędza” – jak zwykli nazywać nowy materiał naukowcy z RU, może znaleźć zastosowanie do zwiększania wytrzymałości wielu materiałów stosujących włókna węglowe na tkaniny o przeróżnych splotach wykorzystywanych na kadłuby lekkich samolotów czy też kamizelki kuloodporne (tkanina kompozytowa włókno aramidowe – włókno grafenowe).
“To bardzo niezwykłe. Węzeł jest tak samo silny jak pozostała część włókna a nawet mocniejszy, czego nie daje się zaobserwować w przypadku włókien węglowych oraz polimerowych” – powiedział Tour. Zasługa wyjątkowych własności płatków tlenku grafenu wywodzi się z przyjaznym środowisku procesie ich wytwarzania. Płatki wytwarzane chemicznie wydają się być małe, z uwagi na niewielką średnicę 22 mikrometrów czyli około 1/4 szerokości ludzkiego włosa. Ale są ogromne w porównaniu z ropopochodnymi związkami używanymi do produkcji standardowych włókien węglowych, których cząstki mierzą około dwóch nanometrów co czyni płatki grafenowe 10 000 razy większymi.
Słabe oddziaływania van der Waalsa utrzymują spójność płatków grafenu które wykazują ogromną powierzchnię właściwą, lgnąc dzięki temu do siebie jak łuski do ryby. Proces przędzenia włókien na mokro jest bardzo podobny do wytwarzania włókien o wysokim przewodnictwie z nanorurek węglowych, jednakże w tym wypadku Xiang użył jako rozpuszczalnika wody zamiast super kwasu. Wytrzymałość na zginanie w miejscu splecionego węzła zależy od modułu sprężystości którego miarą jest elastyczność i odwrotnie. Tlenek grafenu ma bardzo niski moduł sprężystości co pozwala mu “zachowywać się” w sposób jakby nie było węzła, i pomijając jego obecność przy próbie rozciągania.
Przemysłowo otrzymywane włókna węglowe, jako źródło wytrzymałości porównywalnej do stali przy zachowaniu niskiej wagi wyrobów ultralekkich takich jak kij baseballowy, rakiety tenisowe, rowery, statki, samochody czy nawet bombowce nie poprawią już swoich własności ponieważ chemia osiągnie swoje limity w ciągu następnych kilka dekad. Nowe włókna grafenowe otrzymywane w temperaturze pokojowej już na starcie posiadają imponującą wytrzymałość a także elastyczność, a jeśli zostaną ulepszone w wysokich temperaturach mogą znacznie polepszyć swoje własności. Piroliza konwencjonalnych włókien węglowych zachodzi w temperaturze 2100 stopni Celsjusza, co na pewno wyeliminuje efekt wytrzymałości w węzłach, a zarazem zdecydowanie poprawi własności mechaniczne, pożądane w przypadku tworzenia nowych materiałów kompozytowych.
Źródła:
[1] Large Flake Graphene Oxide Fibers with Unconventional 100% Knot Efficiency and Highly Aligned Small Flake Graphene Oxide Fibers, Changsheng Xiang, Colin C. Young, Xuan Wang, Zheng Yan, published online: 5 JUL 2013 DOI: 10.1002/adma.201301065
[2] http://news.rice.edu/2013/07/08/not-weak-knots-bolster-carbon-fiber-2/ | 09.07.2013
[3] Rope Knot by Iain Cuthbertson, flickr.com, CC BY 2.0