碳材料前景光明，但規模化仍是難題

碳纖維可以卷繞成導電線。這種材料像蜘蛛絲一樣，又長又結實。（圖像來源：Joseph Fuqua II / UC創意服務）

辛辛那提大學（UC）工程與應用科學學院與空軍實驗室簽訂了五年協議，聯合進行研究，以加強最新成果在軍事技術上的應用。

辛辛那提大學教授Vavelin Shanv聯合納米實驗室的研究夥伴Mark Schulz教授，他們一起利用他們在電氣、化學和機械工程方面的專長，來製造能為電子設備供電的「智能」材料。

Schulz說，製造業正處於碳材料復興的高潮。碳納米管將取代汽車和飛機中的銅導線，以達到減輕重量和提高燃料效率的目標。此外，碳會過濾我們的水資源，通過新的生物感測器，我們可以得知更多關身體方面的信息。

碳將取代聚酯和其他合成纖維。由於碳納米管是地球上最黑的物體，所有可見光的99.9%都可以被碳吸收，你可以說碳是一種新的黑色。

「過去，製造業中，金屬占絕對的主導地位，」 Schulz說。但我認為碳在許多應用中將會取代金屬。將來會出現一個新的碳時代，這是碳材料的革命

辛辛那提大學研究助理Sathya Narayan Kanakaraj，撰寫了一項發現：如何提高幹紡碳納米管纖維拉伸強度的方法。他的研究結果發表在六月的《材料研究成功》雜誌上，（「改進的干法紡絲，用於製造均勻和高強度的CNT纖維」）。("Improved dry spinning process at elevated temperatures for making uniform and high strength CNT fibers").

研究生Mark Haase在過去的一年裡，在懷特帕特森空軍研究實驗室探索碳納米管的應用。通過合作，UC得以學生使用空軍實驗室的複雜設備，包括X射線計算機斷層掃描來分析樣本。Mark Haase一直在使用空軍的設備幫助他的同學們完成各種項目。

這促使我們精誠協作，專攻工作。Haase說：「這是我們在企業研究和產業中看到的動力。工程研究是一個團體活動，我們可以好好利用它。」

UC研究人員通過一種稱為化學氣相沉積的工藝，他們加熱真空室，在四分之一大小的硅晶片上「生長」納米管。

「每個粒子都有一個成核點。口語上，我們可以稱之為種子，」 Haase說。

「我們的含碳氣體被引入反應器中。當碳氣體與我們的「種子」相互作用時，它會分解並在表面上重新形成。我們讓它不斷生長，直到達到我們想要的大小，」他說。

研究人員可以使用幾乎所有的碳材料，從酒精到甲烷。

「我記得有一個小組是通過使用軍用餅乾來製作納米管。如果它含有碳，你就可以把它變成納米管，」 Haase說。

之前，UC的納米實驗室製造了一個直徑近2厘米的納米管，創造了2007的世界紀錄，這是當時實驗室中製備的最長碳納米管陣列。今天的實驗室可以製造出更長的納米管。

一次，UC研究人員在實驗室的一個工業捲軸上展開了一個小的纖維方塊。突然，這一小片碳變成了一個類似於蜘蛛絲的紡線，它可以編織成紡織品。

「它就像紡織品一樣，」Shanov說。我們可以像機器紡線那樣組裝它們，並將它們應用於感測器、跟蹤水或儲能設備中的重金屬，包括超級電容器和電池。

對於軍方來說，這可能意味著目前現役的重型電池可以得到更換，以減輕不斷增多的電子設備和通訊設備給士兵帶來的負擔，這些設備都需要電池。

Haase說：「他們只能攜帶所有設備需要電池的三分之一。」所以，即使我們能稍微削減一點重量，這對他們來說都是一個很大的優勢。」醫學研究人員正在研究碳納米管如何幫助藥物有效的使用。

在納米管外面，你可以添加蛋白質分子。Haase說：「細胞會讀取並說『我想吃它』。所以我們可以提供藥物來支持健康細胞，恢復疾病細胞，甚至殺死癌細胞。」

但首先，研究人員希望確保碳納米管是無毒的。「這就是為什麼他們一直進展緩慢，」 Haase說。研究發現，在急性暴露下，碳納米管會引起類似石棉的肺損傷。我們想做的最後一件事就是用它來治癒癌症，但是我們發現它會給帶來另外一個癌症。」

「我們正在與客戶討論，他們關心的是性能而不是成本。一旦我們可以完美的合成，隨著生產規模大幅上升，成本也會相應下降，「Haase說。然後我們將看到碳納米管擴散到更多的應用領域。

目前，UC實驗室一次可以生產大約50碼的碳納米管線。

大規模生產仍然是碳納米管技術中尚未解決的問題之一，空軍研究實驗室材料和製造部門的負責人Benji Maruyama說。在工藝擴大過程中還有很多工作要做。Maruyama說，將碳納米管纖維從硅盤中抽出來有益於實驗室研究，但這不適合製造飛機機翼或飛行服。

Maruyama正試圖通過一系列實驗來解決這個問題，他正在使用一種叫做ARES的自主研究機器人。機器人設計並進行碳納米管實驗，分析結果，然後利用數據和人工智慧重新定義下一個實驗的參數。他說，通過這種方式，它可以將實驗速度提高100倍。

碳納米管的最大優點是不缺原料。它只需要一種金屬催化劑，通常我們使用鐵和鎳和碳。Maruyama說。因此，當我們談論每年製造數百萬噸碳納米管時，我們並沒有製造數百萬噸稀有的東西。

Shanov說，我們最終的目標是將UC的學術研究轉化為解決實際問題的方法。並不是所有的技術都能應用到市場。但即使只有10%的機會，這仍將是一個巨大的成功

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