Visokotemperaturni plamen se koristi za stvaranje širokog spektra materijala – ali kada jednom zapalite vatru, može biti teško kontrolisati kako plamen stupa u interakciju sa materijalom koji pokušavate da obradite. Istraživači su sada razvili tehniku koja koristi zaštitni sloj tanak od molekula da kontroliše kako toplota plamena stupa u interakciju sa materijalom – kroti vatru i omogućava korisnicima da fino podese karakteristike obrađenog materijala.
„Vatra je vredan inženjerski alat — na kraju krajeva, visoka peć je samo intenzivan požar“, kaže Martin Tuo, dopisni autor rada o radu i profesor nauke o materijalima i inženjerstva na Državnom univerzitetu Severne Karoline. „Međutim, kada jednom zapalite vatru, često imate malo kontrole nad njenim ponašanjem.“
„Naša tehnika, koju nazivamo inverznom termičkom degradacijom (ITD), koristi tanki film nanorazmera preko ciljanog materijala. Tanki film se menja kao odgovor na toplotu vatre i reguliše količinu kiseonika koja može da pristupi materijalu. To znači da možemo da kontrolišemo brzinu kojom se materijal zagreva — što, zauzvrat, utiče na hemijske reakcije koje se odvijaju unutar materijala. U suštini, možemo fino podesiti kako i gde vatra menja materijal.“
Evo kako ITD funkcioniše. Počinjete sa vašim ciljnim materijalom, kao što je celulozna vlakna. To vlakno je zatim obloženo nanometarskim slojem molekula. Obložena vlakna se zatim izlažu intenzivnom plamenu. Spoljna površina molekula se lako sagoreva, podižući temperaturu u neposrednoj blizini.
Ali unutrašnja površina molekularne prevlake se hemijski menja, stvarajući još tanji sloj stakla oko celuloznih vlakana. Ovo staklo ograničava količinu kiseonika koja može da pristupi vlaknima, sprečavajući celulozu da izbije u plamen. Umesto toga, vlakna tinjaju—gore polako, iznutra ka spolja.
„Bez zaštitnog sloja ITD-a, nanošenje plamena na celulozna vlakna samo bi rezultiralo pepelom“, kaže Thuo. „Sa zaštitnim slojem ITD-a, na kraju ćete dobiti ugljenične cevi.“
„Možemo da konstruišemo zaštitni sloj kako bismo podesili količinu kiseonika koja stiže do ciljanog materijala. I možemo da konstruišemo ciljni materijal kako bismo proizveli poželjne karakteristike.“
Istraživači su sproveli demonstracije dokaza o konceptu sa celuloznim vlaknima za proizvodnju ugljeničnih cevi na mikrorazmeru.
Istraživači su mogli da kontrolišu debljinu zidova ugljenične cevi kontrolisanjem veličine celuloznih vlakana sa kojima su započeli; unošenjem raznih soli u vlakna (što dalje kontroliše brzinu sagorevanja); i variranjem količine kiseonika koja prolazi kroz zaštitni sloj .
„Već imamo nekoliko aplikacija na umu, kojima ćemo se baviti u budućim studijama“, kaže Thuo. „Takođe smo otvoreni za saradnju sa privatnim sektorom kako bismo istražili različite praktične upotrebe, kao što je razvoj konstruisanih ugljeničnih cevi za odvajanje nafte i vode—što bi bilo korisno i za industrijske primene i za sanaciju životne sredine.“
