Bättre material baserade på kol

Projektbeskrivning

I detta projekt undersöks möjligheterna att skapa nya förbättrade material under höga tryck. När material utsätts för höga tryck så kan egenskaperna ändras radikalt. Det mest kända exemplet är kanske kol som bildar diamant när det utsätts för höga tryck och temperaturer. Den stabila formen av kol vid atmosfärstryck är grafit. Diamantfasen är alltså en form som inte är stabil men som ändå kan existera vid atmosfärstryck eftersom omvandlingen tillbaka till grafit går extremt långsamt. Det går alltså utmärkt att tillverka nya tillstånd vid höga tryck och sedan nyttja deras egenskaper vid normalt tryck. Till vår hjälp har vi unika metoder för mätningar under tryck. Vi kan undersöka termiska, dielektriska och optiska egenskaper och via resultaten för dessa direkt följa och förstå förändringarna i materialen när de utsätts för tryck.

I början av 1990 upptäcktes en ny kolform, kolnanorör, som har mycket intressanta egenskaper. Kolnanorören består av kol som bildar en tubformad struktur med en diameter på endast några nanometer (1 miljarddels meter), men en 1000 gånger större längd. Kolnanorören har enastående mekaniska, elektriska och termiska egenskaper. De är starkare än stål, kan leda ström bättre än koppar och är bättre värmeledare än diamant. Allt sedan upptäckten av kolnanorören har man försökt dra nytta av dessa utmärkta egenskaper i t.ex. konstruktionsmaterial. En realistisk och enkel metod att tillverka ett material med goda egenskaper är att förstärka ett befintligt material genom inblandning av kolnanorör, dvs. att tillverka en komposit av t.ex. kolnanorör och polymera material. Vissa förbättringar har då noterats, men kompositernas egenskaper är långt ifrån egenskaperna hos enskilda kolnanorör. Problemet är att kolnanorören inte binder ihop till större strukturer eller kan binda till andra ämnen. Fysisk kontakt mellan nanorören gör att en elektrisk ström kan ledas genom materialet men för att materialet ska bli väsentligt starkare och bättre värmeledare krävs starka bindningar mellan enskilda nanorör, och mellan nanorören och det polymera materialet. Vi tänker bland annat utnyttja nanorör som modifierats så att reaktiva grupper är bundna till nanorören, s.k. funktionella nanorör. Under höga tryck och temperaturer kan man skapa starka bindningar mellan polymerkedjor. Förhoppningsvis är det också möjligt att skapa starka bindningar mellan nanorör samt mellan polymerkedjor och nanorör. En blandning av nanorör och polymerer har ca. 20% högre densitet vid de aktuella trycken, vilket underlättar processen och kan ge en högdensitetskomposit med intressanta elektriska, mekaniska och termiska egenskaper.

På liknande sätt undersöks också möjligheten att förbättra egenskaperna för farmaceutiska preparat och material med potential för vätelagring. Genom att utsätta materialen för höga tryck bildas nya tillstånd. Den högre densiteten för högtrycksproducerade tillstånd kan ge förbättrade egenskaper. För farmaceutiska preparat kan t.ex. ett högtrycksproducerat amorft (oordnat) tillstånd ge en bättre upptagningsförmåga eftersom det löser sig lättare än kristallina tillstånd.

Vi skapar även vattenglaser som bildas under höga tryck genom tryckinducerad amorfisering. Två amorfa faser med olika densitet har tidigare identifierats och deras existens indikerar att det finns två vattenfaser. Genom att studera dielektriska egenskaperna har vi nyligen funnit att den ena amorfa fasen övergår i ett vätsketillstånd under uppvärmning. Vi försöker nu även erhålla liknande data för det andra tillståndet för att kunna verifiera eller förkasta modellen. Detta tillstånd är svårt att skapa och samtidigt studera under höga tryck, men vi har tidigare visat att tillståndet har unika kristalliknande värmeledningsegenskaper. Resultatet har medfört att ett möjligt nytt tillstånd diskuterats — ett idealt glas med kristallina egenskaper. Egenskaperna för tillståndet är därför av fundamentalt intresse även för andra glaser och påverkar kunskapen om dessa.