Is grafeen de volgende koolstofvezel?

Inhoudsopgave:

Is grafeen de volgende koolstofvezel?
Is grafeen de volgende koolstofvezel?

Video: Is grafeen de volgende koolstofvezel?

Video: Is grafeen de volgende koolstofvezel?
Video: What If You Were Injected With Graphene? #Shorts 2024, Maart
Anonim

Ontdekt in een potloodvlek, zou grafeen het nieuwe supermateriaal kunnen zijn dat de fietsindustrie transformeert?

Op het eerste gezicht is grafeen een eenvoudig materiaal. Het is een enkele laag koolstofatomen van 0,3 nanometer dik - een miljoen keer dunner dan het papier van dit tijdschrift. Toch is het 150 keer sterker dan staal en 20% elastischer. Het geleidt elektriciteit beter dan koper of goud, met een snelheid van een miljoen meter per seconde. Het geeft snel warmte af. Het is zowel transparant als volledig ondoordringbaar en zou in de 21e eeuw dezelfde impact moeten hebben als koolstofvezel in de 20e en staal in de 19e. Geen wonder dat de twee materiaalwetenschappers van de Universiteit van Manchester die het in 2003 ontdekten, Andre Geim en Konstantin Novoselov, op weg waren naar een Nobelprijs en ridderorden. Maar wat heeft dit met fietsen te maken?

Graphene's early adopters

De eerste fietsproducten met grafeen komen op de markt. Vittoria gebruikt grafeen in zijn nieuwste carbon Qurano-velgen (zie p20) en Catlike gebruikt het ook in zijn topklasse Mixino-helm. Custom carbon framebuilder Richard Craddock van Craddock Cycles zegt: 'Er is op dit moment veel opwinding over grafeen, maar dit zijn slechts de eerste uitstapjes. Zoals elk nieuw materiaal is het volledige potentieel ervan nog niet bekend, maar het maximale voordeel is hoogstwaarschijnlijk niet als vervanging voor koolstof, maar als een verbetering. Ik zou het gebruiken als het bewezen is.'

Paul Wiper, onderzoeksmedewerker bij het National Graphene Institute aan de Manchester University, zegt: 'Grafeen kan de mechanische eigenschappen van een composiet verbeteren, omdat het de spanning kan delen wanneer het aan de epoxyharsmatrix wordt toegevoegd en het stijver maakt. Je moet wel de juiste balans vinden. Veel grafeen, zeg 10 of 20% van de matrix, zou het heel stijf maken, maar het zou ook broos zijn.’

Zijn collega's perfectioneren momenteel het gebruik van grafeen in composietframes voor ruimtevaart, en de Spaanse autofabrikant Spania neemt het al op in zijn GTA-supercarchassis. Dus zouden fietsframes de volgende kunnen zijn? 'Er is helemaal geen reden waarom het niet in fietsframes zou kunnen worden gebruikt en ik weet zeker dat er al iemand aan werkt', voorspelt Wiper. Vittoria heeft zo'n vertrouwen in grafeen dat het zijn geld op de juiste plaats zet. ‘Toen ik vijf jaar geleden uit eten ging met de oprichter van Directa Plus, een van de eerste grafeenfabrieken in Europa, kwam ik op het idee om grafeen in onze producten te gebruiken’, zegt Vittoria-president Rudie Campagne. ‘Toen besloten we erin te investeren, om voorop te lopen.’

Vittoria beweert dat door het gebruik van grafeen in de nieuwe Qurano-carbonwielen, het de sterkte van het spaakgat en de laterale stijfheid van de velg tot 30% heeft verhoogd. Maar bovenal, zegt Campagne enthousiast: 'De verbeterde warmteafvoer van grafeen vermindert de geaccumuleerde temperatuur van de velg [tijdens het remmen], waardoor deze ruim onder de drempel blijft waar koolstofvezel zou beginnen te desintegreren.’

Het toevoegen van grafeen aan koolstof is echter niet zo eenvoudig als het toevoegen van suiker aan je koffie. Directa Plus levert grafeen aan Vittoria als ‘nano-bloedplaatjes’, die slechts drie tot zeven atomen dik zijn. 'De grote uitdaging was om een bijna perfecte dispersie van grafeen te bereiken in de masterbatch epoxyhars voor de prepreg-koolstofplaten', zegt Campagne.

Stukje inspiratie

grafeen fiets
grafeen fiets

‘Mensen speculeerden al tientallen jaren dat grafeen bestond in allotropen van koolstofmaterialen zoals grafiet, steenkool en diamant, maar niemand had geweten hoe het als een enkele tweedimensionale laag kon worden gemaakt’, zegt Wiper. Op een geïnspireerd moment waren Geim en Novoselov begonnen met een veeg kristallijn grafiet - in feite een potloodstreep - die is samengesteld uit meerdere, gestapelde lagen grafeen, en met plakband hebben ze een deel van het grafiet verwijderd. Omdat ze nieuwsgierig waren, deden ze het keer op keer, totdat ze uiteindelijk een enkele laag isoleerden - puur grafeen. Daarna hebben ze het getest.

‘Als je materialen steeds dunner maakt, gaan hun eigenschappen meestal achteruit’, zegt Geim zelf. ‘Maar met grafeen ontdekten we dat het alleen maar beter werd.’

Labs over de hele wereld maken grafeen nu op vele manieren, met verschillende zuiverheden, verschillende steekproefomvang en batchhoeveelheden. Catlike zegt bijvoorbeeld dat het nanovezels gebruikt om de sterkte van zijn Mixino-helmen te behouden, die nu 10 g lichter zijn dan eerdere modellen. Anderen gebruiken het in de vorm van nanolinten, en Samsung en Sony beweren manieren te hebben uitgevonden om doorlopende vellen te maken. Wat misschien verrassend is, is dat het niet overdreven duur is. U kunt een kilo nano-bloedplaatjes kopen voor minder dan £ 150. Naarmate er meer versies van het materiaal worden gemaakt, is het zeker dat het gebruik van het woord 'grafeen' in marketingmateriaal voor verwarring zal zorgen bij consumenten. Het zal lastig zijn om vast te stellen of een product dat beweert 'met grafeen versterkt' te zijn, echt het submicroscopische materiaal bevat, of dat het goed doet. Het is een maas in de wet waar gewetenloze mensen misbruik van kunnen maken.

‘Een laboratorium zou het materiaal kunnen testen om te zien of het presteert zoals wordt beweerd, maar je zou een chemische test moeten doen om er zeker van te zijn dat grafeen aanwezig is’, zegt Wiper. En aangezien grafeen in de meeste vormen van koolstof voorkomt, zelfs in steenkoolstof, zou het een hel kunnen zijn. Maar in de juiste handen is de belofte voor de fietsindustrie enorm. Mogelijke toepassingen voor grafeen zijn onder meer het voorkomen van corrosie op blootgestelde onderdelen zoals velgen, kettingbladen en spaken, of, indien ingebed in koolstofcomponenten, kunnen grafeen-nanovezels elektriciteit geleiden of zelfs gegevens overbrengen. Dat zou de bekabeling voor elektronische schakel- en fietscomputers verminderen. Als alternatief zou het rekstrookjes kunnen vormen in carbon naven, cranks, pedalen, kettingbladen of schoenzolen, waar de nanovezels de complexiteit zouden verminderen en mogelijk de prijs van vermogensmeters zouden verlagen.

Nano-diamanten zijn al gecoat met grafeen om supersmeermiddelen te creëren, die bijna alle wrijving van lagers zouden kunnen elimineren, en superheldere, met grafeen verbeterde LED's worden beloofd volgend jaar. Een grafeen-supercondensator kan mogelijk meer energie opslaan dan alle bestaande batterijen, dus daarom zouden ook aanzienlijk lichtere elektronische schakelcomponenten mogelijk worden. Bovendien zijn er ook proeven aan de gang met het inbedden van grafeenelektroden in polypropyleenvezels, dus er is zelfs enig potentieel voor toekomstige opname in kledingkleding. Het is in dit stadium hypothetisch, maar er kan een moment zijn waarop je trui en korte broek slim worden en je hartslag, bloeddruk, temperatuur, transpiratiesnelheid en zelfs de activiteit van individuele spieren voelen. Het lijkt er echt op dat het gebruik en de voordelen ervan weinig grenzen hebben.

‘Grafeen is duidelijk zo nieuw dat de toepassingen ervan nog maar net worden bestudeerd’, zegt Campagne. ‘Het zal vele jaren van fundamenteel en toegepast onderzoek vergen om tot geweldige nieuwe verbeteringen van bestaande producten of nieuwe toepassingen en verfijningen te komen. De reis is nog maar net begonnen.'

Aanbevolen: