Waar ben je naar op zoek?
Bronkhorst
Datasheet Gecontroleerde productie van Carbon Nanotubes : het materiaal van de toekomst

Gecontroleerde productie van Carbon Nanotubes : het materiaal van de toekomst

11 September, 2018 John S. Bulmer (University of Cambridge)
Carbon Nanotubes 3D model

Als wetenschapper aan de Universiteit van Cambridge ben ik nauw betrokken bij een interessant project met betrekking tot Carbon Nanotubes (CNT, letterlijk vertaald: koolstof nanobuisjes). Samen met Bronkhorst zitten we momenteel midden in de ontwikkeling van een reactor waarmee we de productie van dit uitzonderlijk sterke en geleidende materiaal kunnen controleren. In deze blog ga ik dieper op dit onderwerp in en probeer ik uit te leggen waarom ik ervan overtuigd ben dat Carbon Nanotubes wel eens hét materiaal van de toekomst zou kunnen zijn.

De geschiedenis én toekomst van Carbon Nanotubes (CNT)

Oorspronkelijk kennen we koolstof in drie moleculaire vormen:

  • diamand
  • grafiet
  • amorfe koolstof
En toen ineens was daar halverwege de jaren ’80 een nieuwe moleculaire vorm van koolstof die in een onderzoek het licht zag. Dat betekende gelijk de start van de multidisciplinaire wereld van de nanotechnologie. Dit nieuwe molecuul bestaat uitsluitend uit koolstof en draagt de naam Buckminsterfullereen. Het is als het ware een kooi van koolstofatomen op nanometerschaal en de molecuulstructuur lijkt op de vorm van een voetbal.

3D model van Buckminsterfullereen
3D model van Buckminsterfullereen

Een paar jaar later verscheen het moleculaire koolstof broertje van Buckminsterfullereen: Carbon Nanotubes (CNT). Voor CNT geldt eigenlijk praktisch dezelfde structuur, maar in deze variant strekken de nanobuisjes zich uit tot een lengte die miljoenen keren zo groot is dan zijn diameter. Saillant wetenschappelijk detail; de sterke en perfect geordende koolstofbindingen van CNT maken het het sterkste materiaal dat ooit is gemaakt. Electronen kunnen moeiteloos als eendimensionale geleiders door de nanobuisjes bewegen; dat maakt CNT vier keer zo geleidend als koper, met een maximale stroomcapaciteit die maar liefst duizend keer hoger ligt dan die van koper.

In het begin van deze eeuw, kwamen onderzoekers met processen op de proppen om vezels te produceren die bestonden uit dicht op elkaar gepakte CNT’s in een geordende microstructuur. Aanvankelijk bleven de typische eigenschappen van deze vezels ver achter bij de bijzondere eigenschappen van de individuele moleculen. Na een aantal tussentijdse verbeteringen, is de innovatieve CNT-vezel net zo sterk als het gebruikelijke carbon en vier keer zo geleidend. Naarmate de ontwikkelingen vorderen verwachten we dat CNT-vezels substantieel sterker zullen worden dan carbon en zal de geleidbaarheid en warmtecapaciteit zo’n vier keer groter zijn dan die van traditionele metalen als koper en aluminium.

Toepassingen van CNT-vezels zit met name in ontwikkeling van textielsoorten die bestand zijn tegen extreme omstandigheden (beschermende kleding, kogelvrije vesten etc.), composieten, materialen voor auto’s en kabels, vanwege de enorme sterkte. De intrede van CNT zou een gigantische impact kunnen hebben op ons dagelijkse leven, net als de invloed die plastic had op de wereld halverwege de vorige eeuw.

Carbon Nanotubes (CNT) op de Universiteit van Cambridge

Ons laboratorium heeft een productieproces ontwikkeld dat niet alleen CNT’s maakt in grote volumes, maar ook met een ongeëvenaarde perfectie in macroscopische textiel; alles in slechts één productiestap. Het productieproces an sich is in principe simpeler dan andere productieprocessen, zoals bijvoorbeeld de processen van het gangbaardere carbon of kevlar.

De Floating Chemical Vapour Deposition reactor (F-CVD) gebruikt in dit geval een ‘zwevende’ katalysator. Deze katalysator heeft slechts één koolstofbron nodig (tolueen), een katalysatorbron (ferroceen) en een op zwavel gebaseerde promotor (thiofeen). Deze drie componenten worden door middel van een draaggas (waterstof) met elkaar vermengd in een 1300 °C buisreactor, waardoor een zwevende CNT-wolk wordt gevormd. Het mechanisch extraheren van de CNT-wolk uit de buisreactor condenseert de wolk tot een bulkvezel met een strak geordende microstructuur. Dit wordt "CNT-spinnen" genoemd, dat gedaan wordt door “spinners”; speciaal beschermd personeel dat de vezel uit de CNT-wolk extraheert.

Het is een aardige uitdaging om de reactie onder controle te krijgen. De eigenschappen van het CNT materiaal variëren namelijk aanzienlijk tussen de productieseries, in relatie tot de gecontroleerde en ongecontroleerde parameter input. Hoe dat precies kan, is nog niet helemaal duidelijk.

Controle over de Carbon Nanotubes Reactor

Door een feedbacklus te implementeren proberen we om de CNT-materiaaleigenschappen van de reactor te reguleren. De in- en outputvariabelen zijn specifiek geselecteerde materiaaleigenschappen, die automatisch worden gemeten en vastgelegd in een database; een overzicht van o.a. het buitenweer, het bedienend personeel, de leeftijd van de buis, de tussenstofconcentraties, gasstromen, etc. De database wordt voortdurend doorgespit voor correlaties, parameterinteractie en multidimensionale lineaire regressiemodellen die het reactorgedrag statistisch voorspellen. Dat gebeurt met behulp van de dataverkenningssoftware JMP™.

Figure 1. Statistical model for the material’s G:D ratio
Figure 1. Statistical model for the material’s G:D ratio

Ter illustratie; afbeelding 1 laat een statistisch model zien voor de G:D ratio van het material. Dat is de ratio tussen grafiet (G) en grafietdefecten (D) van Raman spectroscopie, die een indicatie geeft van de mate van grafitische perfectie. Dit model is een functie van verschillende input parameters die statistische gezien het meest relevant zijn met betrekking tot de G:D ratio. Op de x-as is een voorspelde G:D waarde te zien van het model en op de y-as de gemeten waardes. Als het model perfect zou zijn geweest, dan was de verwachting dat de lijn volledig recht zou zijn in een hoek van 45 graden. Zoals te zien is, liggen de gemeten datapunten wijd verspreid rondom de lijn en dat geeft de geringe mate van beheersing van het reactieproces weer.

De opstelling die we hier gebruiken vermengt eerst de tussenstoffen (tolueen, ferroceen en thiofeen) en deze worden daarna via een draaggas (waterstof) in de oplossing geinjecteerd met behulp van een standaard pomp. Hiermee werd duidelijk dat er toch een geavanceerder systeem nodig was voor een betere controle over de reactor.

Bronkhorst’s oplossing voor controle over de Carbon Nanotubes Reactor

Afbeelding 2 laat het verbeterde systeem zien. Afzonderlijke vloeibare tussenstoffen worden nu onafhankelijk gecontroleerd met Bronkhorst Coriolis instrumenten (mini CORI-FLOW series). Deze Coriolis massflowmeters geven uiterst precieze flows, zonder dat er calibratie nodig is tussen de twee tussenstoffen. Dat zorgt ervoor dat er geëxperimenteerd kan worden met verschillende CNT recepten. Het is Bronkhorst als enige gelukt om het uiterst nauwkeurige Coriolis principe op zeer kleine schaal toe te passen in dit onderzoek, door gebruik te maken van µCoriolis MEMS technologie.

Het flowbereik van tolueen gaat tot 200 g/h en voor thiopheen geldt zelfs een bereik van beneden de 100 mg/h. Het waterstof draaggas wordt geregeld door een robuuste, plug-and-play Bronkhorst massflow controller. Tot slot worden de precies gedoseerde tussenstoffen verdampt en samengebracht met het draaggas door middel van verdampertechnologie.

Figure 2. Carbon Nanotubes Reactor Scheme
Figure 2. Carbon Nanotubes Reactor Scheme
Figure 3. Chemical vapour deposition reactor is much more effective
Figure 3. Chemical vapour deposition reactor is much more effective

Met deze nieuwe en geavanceerdere instrumentatie is statistische modellering van F-CVD veel effectiever. De werkelijke waarde versus de voorspelde waarde geeft aan dat de respons van de reactor een stuk voorspelbaarder is en een veel hogere herhaalbaarheid heeft. Tot dusverre hebben we met dit beheersbare en goed vormgegeven reactorsysteem de CNT-productie verdubbeld en de grafiet kristallisatiegraad zelfs verdrievoudigd.

Houd ons in de gaten! Met Bronkhorst en andere belangrijke commerciële, academische en regeringspartners hopen we conventionele koolstofvezel binnenkort te overtreffen!

Bronkhorst informatie

Als je betrokken bent bij reactortechnologie, aarzel dan niet om contact op te nemen voor oplossingen voor je processen.

  • Lees meer over de MEMS technologie dat is toegepast bij het onderzoek naar Carbon Nanotubes in de blog van Wouter Sparreboom.
Lees meer over de MEMS technologie
Terug naar overzicht

Bronkhorst High-Tech designs and manufactures innovative instruments and subsystems for low-flow measurement and control for use in laboratories, machinery and industry. Driven by a strong sense of sustainability and with many years of experience, we offer an extensive range of (mass) flow meters and controllers for gases and liquids, based on thermal, Coriolis and ultrasonic measuring principles. Our global sales and service network provides local support in more than 40 countries. Discover Bronkhorst®!