Koolstofnanobuisgarens, kunstmatige spieren en transparante platen:geavanceerde toepassingen

Koolstofnanobuisjes (CNT's) staan bekend om hun buitengewone sterkte, modulus, elektrische en thermische geleidbaarheid en thermische stabiliteit over een breed temperatuurbereik. Eén nanobuisje kan een treksterkte vertonen die tot 100 keer zo groot is als die van staal, waardoor ze ideale bouwstenen zijn voor hoogwaardige materialen.[1]

Om deze eigenschappen te benutten hebben onderzoekers continu zuivere CNT-garens en composietgarens met een hoog CNT-gehalte ontwikkeld. Technieken zoals het elektrospinnen van meerwandige CNT (MWCNT) versterkte polyacrylonitril (PAN) vezels of CNT/cellulose-bamboegarens leveren multifunctionele producten op met aanzienlijk verbeterde mechanische, thermische en elektrische prestaties. Enkelwandige CNT-vezels (SWCNT-vezels) kunnen ook worden vervaardigd uit vloeibare-kristaloplossingen, waardoor continue nette CNT-vezels met superieure eigenschappen worden geproduceerd.[2]

CNT-garen produceren

Continue CNT-vezels kunnen worden geproduceerd in een horizontale chemische dampafzettingsreactor (CVD). Een waterdampverdichtingsstap krimpt de CNT-"sok" tot een dichte draad van 1-3 mm dik, wat resulteert in een zeer poreus (≈99%) maar mechanisch robuust en elektrisch geleidend garen. Het proces maakt nauwkeurige controle over de wikkeldichtheid mogelijk, waardoor infiltratie met polymeren mogelijk wordt om composieten te vormen of te mengen met andere garens voor op maat gemaakte structurele en functionele toepassingen.[3]

Kunstmatige spieren van CNT

Door CNT-garen in naadloze, holle cilinders te draaien en deze te infiltreren met een volumeveranderende paraffinewas, hebben onderzoekers kunstmatige spieren gecreëerd die in staat zijn tot ultrasnelle samentrekkingen. Door de was te verwarmen – via elektrische stroom of een korte lichtpuls – zet de was uit, zwelt het garen in volume op en trekt de lengte samen, waardoor beweging ontstaat in slechts 25 µs. Deze actuatoren kunnen lasten tillen die tot 200 keer zwaarder zijn dan een natuurlijke spier van vergelijkbare grootte, hoewel ze op dit moment nog steeds ongeschikt zijn voor directe biomedische implantatie.[4]

Mogelijke toepassingen omvatten robotica, minimaal invasieve chirurgische katheters, micromotoren, microfluïdische mixers, afstembare optica, microkleppen, precisiepositioneerders en zelfs consumentenspeelgoed.

Transparante CNT-vellen

Het opschalen van CNT’s naar structuren van macroformaat zonder bindmiddelen is historisch gezien een uitdaging geweest. Recente ontwikkelingen omvatten het roteren van verticaal uitgelijnde CNT-bossen om brede, lange transparante platen te vormen. De resulterende zelfdragende aerogel levert na verdichting sterke, dunne films op die elektriciteit geleiden, microgolven aan kunststoffen binden en dienen als flexibele elektroden voor OLED's, gepolariseerde breedbandstralingsbronnen en andere toepassingen.[5]

Deze doorbraken illustreren de veelzijdigheid van CNT's in structurele, functionele en elektronische domeinen.