爱达荷国家实验室 碳薄膜根据处理温度的不同而排列不同
学分:爱达荷国家实验室 超人可以挤压一块煤，并把它变成闪闪发光的钻石——无论如何，在漫画书里
这个虚构的壮举有一定的科学依据
煤和钻石都是由碳组成的
这两种材料在原子的微观排列上有所不同，这导致了它们在外观、导电性、硬度和其他性能上的巨大差异
由此可见，碳基材料的微观结构很重要
优化碳微结构有利于在储能、传感器和下一代核材料系统中的应用
现在，爱达荷国家实验室(INL)的一组研究人员进行了一项研究，这项研究可能会改进微调碳微结构的方法
科学家们在2020年6月的《今日材料化学》论文中报告了他们的工作
创造晶体结构 INL材料科学研究员库纳尔·蒙达尔主持了该小组的实验，包括将微小的碳薄膜和纤维置于高达3000摄氏度(5400华氏度)的温度下
这种热量导致薄膜和纤维中的微结构变得不那么无序(或无定形)，而更像钻石(或晶体)
“当碳结构变得更加结晶时，许多事情都有可能实现
首先，碳的导电性增加
这意味着你可以从中获得很多好的应用，”该论文的主要作者蒙达尔说
他补充说，其中一些应用包括电池和传感器
这项研究的一个目标是观察最终的微结构是如何根据温度和原材料而变化的
对于最初的材料，研究人员纺出微型碳纤维，并在基底上涂上碳薄膜
他们在1000到3000℃的温度范围内热处理这些聚合物前体
然后，他们用透射电子显微镜和其他仪器检查结果，确定从松散组织的聚合物到更有结构的晶体排列的转化程度
微观结构路线图中的捷径 热处理在世界范围内被用来制造具有所需微观结构的碳复合材料，其因应用而异
研究人员选择的前兆也被广泛使用
然而，使用这些前体和制造方法的商业生产可能是一个复杂的过程，需要一系列精确的热处理和其他操作
碳纳米纤维垫根据处理温度的不同而排列不同:1000℃(顶部)、2000℃(中部)和3000℃(底部)
学分:爱达荷国家实验室 一个产品的最终配方可能是通过反复试验得出的，这种试验有时会很复杂
INL的研究旨在，除了别的以外，提供一个快捷方式来加速搜索的路线图
因此，除了实验工作之外，INL小组还做了模拟，模拟纤维和薄膜在热处理过程中的演变
该论文的另一位合著者、INL材料科学与工程系的科学家戈拉赫·帕瓦尔处理了这些模拟
计算机模型预测的结果与实验结果相似
这项工作是由INL实验室指导研究和发展计划资助的
帕瓦尔说，INL的研究提供了线索，可以用来帮助设计前体和过程，产生优选的纳米结构
例如，从薄膜开始比从纤维开始导致更高的电子迁移率，这可能是纤维中的许多边界及其对电子自由运动的影响的结果
因此，对于传感器或其他电导率很重要的应用，从薄膜开始可能会导致设备更灵敏、更快或使用更少的功率
在探索加工步骤的所有可能组合时，国家实验室、工业和其他地方的研究人员需要在他们的研究和结果中具有成本效益
像INL小组所做的模拟可以帮助最大限度地减少在正确的过程和原材料上花费的时间、精力和费用
“你不能永远做实验
你需要一些指导来优化你的实验方案，”帕瓦尔说
给电池充电更快 至于该小组研究的可能应用，他指出，获得正确的微观结构是至关重要的，例如，在锂离子电池中
这些电池有一个由石墨制成的电极，石墨是碳的一种
在操作电池时，锂离子储存在石墨的层间，这意味着材料中的空隙和缺陷的数量很重要
有了适当结构的石墨，离子的运动可以很快，这是极快速充电的要求
然而石墨材料不能多孔到使电极无用
这种充电可以让电动汽车在几分钟内获得相当于一整箱汽油的电量，而不是几个小时
这种能力将使这些无排放的汽车和卡车的运行类似于人们对当前燃气汽车的习惯
这意味着，INL的研究项目可能有助于弄清楚如何实现消费者寻求的那种性能
帕瓦尔说:“这是我们未来的储能目标:我们如何优化这种石墨结构。”
为了帮助实现这一目标，研究人员继续扩大他们对碳微观结构及其制造方法的了解
最终，这项工作可能有助于制造一种电动汽车电池，它可以快速充满电——或者用超级英雄的话来说，比高速行驶的子弹还快
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