Pensalo come cucinare con spaghetti al carbone:un ricercatore della Kansas State University sta sviluppando nuovi modi per creare e lavorare con i nanotubi di carbonio, tubi ultrapiccoli che sembrano pezzi di spaghetti o spaghi.

Questi nanotubi di carbonio, fatti di grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo:hanno gli ingredienti perfetti per migliorare i rilevatori laser e le batterie ricaricabili, secondo una ricerca di Gurpreet Singh, professore assistente di ingegneria meccanica e nucleare. Singh sta lavorando a diversi progetti con nanotubi di carbonio e materiale ceramico derivato da polimeri.

Un progetto prevede nuovi modi per cucinare o creare un materiale di nanotubi di carbonio ceramico. Il modo convenzionale per realizzare questo tipo di materiale è prendere un polimero liquido, versatela in uno stampo e scaldatela in forno fino a quando il polimero forma una ceramica.

Il team di Singh ha provato un nuovo approccio. Sono tra i primi a creare il proprio polimero liquido modificato con quattro ingredienti:silicio, boro, carbonio e azoto. Ma invece di riscaldare questo polimero liquido in un forno, lo scaldavano in un microonde convenzionale, del tipo usato nelle cucine. Hanno scoperto che il microonde riscalda i nanotubi altrettanto bene di un forno.

"Quello che abbiamo fatto è stato ridurre il tempo per costruire la ceramica, " ha detto Singh. "Se usi un forno o una stufa, devi scaldarlo per un po'. Con il microonde, si riscalda rapidamente in pochi minuti."

Il loro lavoro - scritto in collaborazione con il loro collega universitario William Kuhn, professore di ingegneria elettrica e informatica -- recentemente apparso sulla rivista Materiali applicati e interfacce , pubblicato dall'American Chemical Society. Un'altra pubblicazione riguardante la lavorazione convenzionale apparirà nel Journal of the American Ceramic Society .

Una volta creato questo materiale ceramico di nanotubi di carbonio, ha più applicazioni. Il team di Singh è coinvolto in un progetto con il team di radiometria laser presso il National Institute of Standards and Technology, o NIST, a Boulder, col., che lavora per sviluppare metodi di misurazione per laser industriali ad alta potenza per la produzione.

Il team di Singh sta aiutando l'istituto a migliorare il modo in cui viene misurata la potenza del laser. Attualmente, le misurazioni laser coinvolgono un rilevatore di rame a forma di cono ricoperto di vernice al carbonio. Il laser brilla attraverso il cono, viene assorbito dalla vernice nera, riscalda il cono di rame e poi riscalda una cascata all'estremità posteriore del rivelatore. Misurando l'aumento della temperatura dell'acqua, gli scienziati possono determinare l'energia del laser.

Il team di Singh ha migliorato questo processo realizzando il rilevatore a forma di cono con il materiale composito di nanotubi di carbonio ceramico. Poiché la ceramica può resistere alle alte temperature, protegge i nanotubi, che assorbono la luce laser per riscaldare il cono.

"Stiamo verificando la stabilità del materiale, "Singh ha detto. "Stiamo caratterizzando e poi inviare i campioni al NIST per testare".

Un altro progetto per il team di Singh utilizza il materiale in nanotubi di carbonio ceramico per migliorare le prestazioni delle batterie ricaricabili. Il materiale affronta quattro modi in cui le batterie ricaricabili possono essere migliorate:avere una maggiore capacità di stoccaggio, avere una durata della batteria più lunga, ricarica rapidamente e fornisce molta potenza in un breve lasso di tempo.

Questi materiali ceramici possono immagazzinare in modo reversibile litio, il che significa che il litio può entrare ed uscire da esso. Le attuali batterie ricaricabili utilizzano la grafite per immagazzinare il litio. Ma mentre la grafite si consuma, una batteria diventa meno efficiente e rimarrà carica per un periodo di tempo più breve.

La capacità di ricaricarsi rapidamente e fornire molta potenza in un breve lasso di tempo è particolarmente importante per le auto elettriche. Molti modelli attuali di auto elettriche impiegano diverse ore per ricaricarsi e impiegano molto tempo per accelerare. Gli scienziati che desiderano creare una batteria in grado di ricaricarsi in pochi minuti e fornire energia rapidamente potrebbero ora avere una soluzione.

Il team di Singh ha già riscontrato un successo iniziale con il proprio lavoro:la ricerca preliminare mostra che quando il materiale ceramico viene utilizzato nelle batterie, raddoppia o triplica la capacità della batteria per l'alta corrente. Il materiale è anche termodinamicamente stabile, quindi può sopravvivere a cicli più lunghi.

"Sarebbe davvero bello avere un materiale che abbia una capacità elevata, può essere caricato rapidamente ed è anche stabile, " ha detto Singh. "Con questo materiale ceramico, dovrebbe essere abbastanza forte da non degradarsi nel tempo. Questo è l'obiettivo finale".

Il loro lavoro a batteria apparirà entro la fine dell'anno nel diario Nanomateriali ed energia , pubblicato dall'Istituto del Genio Civile. I ricercatori stanno attualmente caricando e ricaricando le batterie per diversi cicli per capire quanto tempo possono durare le batterie realizzate con i materiali.

Un progetto finale del team di Singh prevede l'uso di "nano-dita, " che sono aghi di tungsteno affilati che possono sondare e raccogliere nanotubi di carbonio. I ricercatori usano queste nano-dita al microscopio elettronico per eseguire studi con singoli nanotubi di carbonio e nanofili di ceramica.

La ricerca di Singh è stata supportata con $ 57, 000 dal programma EPSCoR con la National Science Foundation. Il suo gruppo di ricerca è composto da due studenti laureati:Romil Bhandavat e Lamuel David, entrambi dottorandi in ingegneria meccanica, India, -- e uno studente universitario, Uriel Barrera, uno studente del secondo anno in ingegneria meccanica, olate.