Genombrott i nanorörsforskningen:

Världens starkaste material sträcker sig mot nya höjder

Ett nytt, revolutionerande material, som är starkare än stål och lättare­ än bomull, har tagits fram av forskare vid Cambridge University i Storbritannien­. Ett gram av materialet, som av upphovsmännen beskrivs som ett slags elastiskt moln av nanorör, kan töjas ut till en nära 30 kilometer lång tråd. Användningsområdena för materialet är närmast oändliga, och bland annat kanske den gamla drömmen om en rymdhiss bli verklighet.

Mot nya höjder

Mot nya höjder

Att så kallade nanorör, eller nanotuber, av kol är det starkaste materialet vi känner till är inte någon nyhet. Forskare har framställt de mikroskopiska rören i laboratorier i åratal och förundrats över dess egenskaper. Däremot har det visat sig vara svårt att foga samman de mikroskopiska nanorören till en större makroskopisk struktur, med egenskaper som är jämförbara med de enskilda nanorörens. Men en grupp brittiska forskare vid Cambridge University verkar nu ha funnit en lösning som gör att materialets styrka kan utnyttjas i praktiska tillämpningar i verkliga livet och inte bara vara ett fantastiskt material på mikroskopisk nivå.

Liten är stark

Nanorör är i grunden cylinderformade­ tuber som består av hoprullade, endast­ en atom tjocka, flak av kol­atomer i form av grafit. Bindningarna mellan kolatomerna i rullarna är till och med starkare än i diamanter, vilket gör dem starkare än något annat känt material.

Diametern på nanorören är typiskt några få nanometer, ungefär en femtiotusendel av ett hårstrå, samtidigt som de kan bli upp till flera millimeter långa. Detta ger ett förhållande mellan diameter och längd som inget annat material ens kan komma i närheten av.

Dessa rekordartade egenskaper gör dem till utmärkta kandidater när det gäller byggstenar till nästa generations högpresterande fibermaterial. Men dessvärre finns det en hake med att försöka använda nanorör i praktiken. Att sätta ihop ett större antal nanorör till någon form av storskalig konstruktion, utan att nanorörens styrka går förlorad i processen, har nämligen visat sig vara en stor utmaning.

Ut ur dimman

Den nya metod som forskarna vid Cambridge University använder sig av låter dem spinna långa trådar, bestående av rena kolnanorör, från gasformiga moln av det unika materialet.

– Nyckeln är att processen i stort sett förvandlar kol till rök, men eftersom rökpartiklarna är långa tunna nanorör trasslar de ihop sig och håller varandra i handen. Vi gör faktiskt elastisk rök, som sedan kan spinnas till en tråd av fibrer, säger Alan Windle, professor i materialkunskap vid Cambridge och gruppens ledare. Molnet av nanorör framställs genom att hetta upp ett kolväte, som etanol, i en värmepanna tillsammans med en järnbaserad katalysator. Inuti pannan bryts då kolvätet ner i beståndsdelarna väte och kol och kolet återbyggs sedan på kemisk väg på ytan av järnpartiklarna i form av långa, tunna nanorör. En stång förs därefter in i pannan och fästs vid det växande, svarta molnet av elastisk rök, som sedan sträcks ut och viras upp på en trådrulle.

Utan svaga länkar

Ingen kedja är starkare än sin svagaste länk och svaga punkter orsakade av orenheter har därför tidigare varit ett gissel, som kraftigt begränsat styrkan hos kolnanorörstrådar av det här slaget. Men enligt Marcelo Motta, en av Windles medarbetare, kan sådana defekter nu undvikas, och den färdiga trådens egenskaper överträffar på så vis det mesta. Marcelo Motta går till och med så långt att han påstår att det är det starkaste materialet som någonsin testats.

Ett av de starkaste material som används kommersiellt idag är Spectra 2000, som är starkare än kevlar och som till exempel används i skottsäkra västar.

På molekylär nivå är nanorör av kol 20 till 55 gånger starkare än Spectra 2000. Den nya forskningen gör storskaliga nanorörsstrukturer, som de trådar som Windle och hans grupp spinner, upp till tre gånger starkare än Spectra 2000.

Ett enkelväggigt nanorör består av ett enda lager kolatomer, sammanbundna som kolatomerna i grafit, som är ihoprullat till ett rör. Denna konfiguration resulterar i att kolnanorören till och med är starkare än diamanter.

Ett enkelväggigt nanorör består av ett enda lager kolatomer, sammanbundna som kolatomerna i grafit, som är ihoprullat till ett rör. Denna konfiguration resulterar i att kolnanorören till och med är starkare än diamanter.

Gigantiskt lyft

Resultaten av gruppens forskning presenterades nyligen på en konferens i Luxemburg, anordnad av stiftelsen Spaceward. Presentationen lockade bland annat representanter från Nasa och Esa.

Förhoppningen är att den brittiska­ forskningsgruppens genombrott ska kunna utnyttjas för att inom en snar framtid konstruera en hisskabel långt utöver det vanliga, som delvis ska kunna lösa de problem som förhindrat den gamla drömmen om en rymdhiss från att förverkligas.

En fungerande rymdhiss skulle vara ett förhållandevis billigt och miljövänligt alternativ till Nasas rymdfärjor, som förväntas gå i pension år 2010, när det gäller att transportera upp astronauter och utrustning i omloppsbana.

– Problemet har alltid varit att hitta ett material som är tillräckligt starkt och tillräckligt lätt för att kunna sträckas tiotusentals kilometer ut i rymden. Det kommer troligtvis inte att hända på åtminstone tio år till, men i teorin är det nu möjligt, säger John Winter från EuroSpaceward.

Förutom som hisskabel i en eventuell rymdhiss har den nya tråden av nanorör­ även en lång rad andra tillämpningsområden av mycket varierande­ slag. Till exempel skulle tråden kunna användas för att göra tåligare skyddsvästar. Bild: Department of Defense

Förutom som hisskabel i en eventuell rymdhiss har den nya tråden av nanorör­ även en lång rad andra tillämpningsområden av mycket varierande­ slag. Till exempel skulle tråden kunna användas för att göra tåligare skyddsvästar. Bild: Department of Defense

På löpande band

Ett av de problem som fortfarande kvarstår är produktionstakten. I nuläget spinner gruppen från Cambridge ungefär ett gram kolnanorörstråd om dagen. Tack vare att tråden har en tjocklek på endast ett fåtal mikrometer­ räcker detta gram till en nästan 30 kilometer­ lång tråd. Men det är fortfarande långt ifrån vad Nasa vill ha.

För att bygga en rymdhiss beräknar Nasa att de skulle behöva närmare 660 kilometer tråd i ett enda stycke. För att klara av den beställningen skulle emellertid­ Windle och hans kollegor behöva hitta ett sätt att utöka verksamheten från tillverkning på laboratorienivå­ till storskalig industriell­ produktion, vilket­ är en möjlighet som de för tillfället­ håller­ på att söka finansiering för att undersöka­.

Forskarna överväger också kommersialisering av den unika produkten inom andra områden och för ett material av det här slaget råder det verkligen ingen brist på tänkbara tillämpningar­.

Forskningen kan leda till allt från bättre skottsäkra västar och förstärkning­ av byggnader med mera till lättare och därmed mer bränslesnålare bilar och flygplan, förbättrad strömöverföring, skydd mot elektromagnetisk strålning och cancerbehandlingar. Listan kan göras nästan hur lång som helst.

Material från
Allt om Vetenskap nr 5 - 2009

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter