nanostål bloghoved

Fjerlet og ekstremt stærkt - historien om nanostålets oprindelse

Denne blog er en fortælling fra the Valley of Death. Det er det sted, hvor gode opfindelser enten klarer sig igennem og bliver til fremtidens produkter eller må bukke under for investeringsgarantier og målgruppeanalyser. Og dybt nede i den dal står nanoingeniør Jens Vinter og råber til industrien, for i sit laboratorium i Risskov står han klar med fremtidens supermateriale.


Forestil dig et materiale, der er op til 100 gange så stærkt som stål og leder strøm op i mod tusind gange bedre end kobber og desuden både absorberer lys i mikrobølgeområdet, er stærkt selvklæbende og tilmed billigt at producere.

Sådan et materiale har jeg, som den første i Europa, fremstillet, og jeg har navngivet det nanostål.

Nanostål har egentligt ikke noget med stål at gøre, men dets egenskaber og anvendelsesmuligheder er let at sammenligne med stål, som vi kender det i dag.

Materialet er, som navnet også indikerer, udviklet i nanoskala, og et enkelt lag ufortættet nanostål med en tykkelse på bare 18 mikrometer er naturligvis let at hive fra hinanden, men en plade på en millimeter i højden vil bestå af op mod 20.000 lag fortættet nanostål og kun have en massefylde på 500 kilo per kubikmeter. I USA har man målt, at materialet har en trækstyrke på 465 megapascal per gram per kubikcentimeter og dermed er langt stærkere end stål.

Nanostål er derfor særligt interessant i fremstillingen af letvægtskonstruktioner og andre produktioner, hvor elektriske eller termiske forhold har afgørende betydning.

Illustration: Privatfoto

Når man forstørrer 400 gange, er det muligt at se, hvordan lodretstående kulstofnanorør kan trækkes ud til en ca. 18 mikrometer tynd film af ufortættet nanostål. Hver kvadratmillimeter af det ufortættede nanostål består af ca. 2.600.000 vandretliggende kulstofnanorør.

Sådan fremstilles nanostål

Nanostål produceres ved at opvarme en jernbelagt siliciumplade og lede dekomponeret acetylengas hen over den. Kulstofatomerne fra gassen reagerer med jernatomerne, og ved de rette omstændigheder kan man i en CVD-ovn fremdyrke en skov af mikroskopiske lodretstående kulstofnanorør. På hver kvadratcentimeter af siliciumpladen findes der tætforbundet 80 milliarder kulstofnanorør. Efter tre til fire minutter i ovnen er de vokset en kvart millimeter i højden.

Det banebrydende ved netop disse nanoskove er, at det på grund af Van der Waals-krafterne mellem de enkelte kulstofnanorør er muligt at trække baner af den lodretstående skov af kulstofnanorør ud til en ultratynd film af det såkaldte nanostål. Hver centimeter nanoskov kan trækkes ud til tre meter ufortættet nanostål med samme bredde som siliciumpladen og en højde på bare 18 mikrometer. Det er også muligt i trækprocessen at vikle nanostålet til tråde på mellem 2 – 20 mikrometer i diameter.

Her kan du se, hvordan en nanoskov dyrkes.

Tro kan flytte nanoskove

Som 37-årig begyndte jeg at tro på nano. Så meget at jeg i 2003 droppede mit job som ordrekoordinator på Nordisk Wavin i Hammel og begyndte forfra med at studere nanoteknologi. Først på adgangskurser og siden på Aarhus Universitet og Aalborg Universitet.

I den forbindelse faldt jeg over en artikel fra University of Texas at Dallas. De havde, som de første i verden, fundet ud af at dyrke lodretstående nanoskove af kulstofnanorør og trække dem ud til nanostål.

Læs den originale artikel fra Science her

Artiklen resulterede i, at jeg ikke sov i tre dage. I stedet besluttede jeg, at i stedet for at blive forsker og lave grundforskning ville jeg bringe nanoskovene til Europa og være med til at udvikle helt nye produkter og arbejdspladser. Min forskeruddannelse blev skiftet ud med ingeniøruddannelsen i Aalborg, hvor jeg fik mulighed for at arbejde med teknologien til at frembringe nanorørene.

Sådan blev jeg i december 2010 den første danske diplomingeniør i nanoteknologi. Mit speciale er nanoproduktion.

Efter endt uddannelse købte jeg et jakkesæt og rejste til Texas for at opsøge forskerholdet bag de første nanoopdagelser med lodretstående kulstofnanorør. Og seks timer efter, at jeg havde sneget mig forbi portvagten på universitetets campus, gav jeg hånd på en ny samarbejdssamtale med den ledende forsker på området og tog hjem med en prøve af materialet.

I dag har jeg fundet en investor og går som opfinder i eget laboratorium med arbejdsbukser under laboratoriekitlen. Firmaet hedder Carbon Nano Europe, og laboratoriet har jeg bygget sammen med en gruppe elever fra Aarhus Maskinmesterskole.

Jeg har købt den, efter sigende, mest avancerede maskine til produktion af lodretstående kulstofnanorør i verden. Den kommer fra et spinoff-firma fra University of Texas at Dallas, og jeg har nu opstillet den og fået den til at virke for første gang i Europa. Indtil videre har jeg dyrket 15 prøver på omkring tre gange fem centimeter og udtrukket seks af prøverne til nanostål. Billedet ovenfor er fra prøve nr. 2.

Nu skal vi gøre den danske industri opmærksom på materialet, så de kan være med til at finde ud af, hvordan nanostål kan gavne deres produkter og arbejdsgange.

Maskinen, der bruges til at fremdyrke nanoskovene, hedder et RF-CVD system. Det system, som jeg har fået installeret i mit laboratorium i Risskov, opvarmer prøven i den røde induktionsspole til venstre i billedet. Der er mulighed for at varme en prøve op til 750 grader på 45 sekunder, men en opvarmningstid på 10 minutter er bedst for prøven. Ovnen til højre bruges til at forvarme gasserne i 3 zoner.

Hvad er fremtiden for nanostål?

Indtil videre har omkring femten forskellige store og små danske virksomheder været forbi og set på materialet med begejstring, og vi har diskuteret ca. tyve forskellige lovende applikationer.

Det er ikke svært at forestille sig materialet anvendt både i stor og lille skala, men for at det kan blive en realitet, skal man turde investere i udviklingen af materialet og ikke mindst i udviklingen af en maskine til storskalaproduktion af nanoskove. Dét bliver den store udfordring. Hvis nanostål skal komme industrien til gode – på samme måde som med glasfiber eller beton i sin tid – så bliver vi nødt til allerede nu at starte processen med at designe og bygge et kontinuert produktionssystem.

Der er stadig mange ukendte faktorer omkring egenskaber og anvendelse, som skal undersøges nærmere, og ofte spænder det ben for virksomhedernes kortsigtede succeskriterier.

Men mens udviklingen går trægt i Danmark, raser der en patentstorm i USA, Kina og Australien, hvor firmaer allerede er begyndt at indtænke nanostål i nye løsninger - og jeg er ikke i tvivl om, at den nok skal komme til Europa.

I næste blogindlæg vil jeg komme med en liste over de mulige applikationer som diskuteres nu og efterfølgende vil hver applikationsretning blive diskuteret i separate blogindlæg.

I mellemtiden er det muligt at finde mere information på min Facebook-side

Med denne blog håber jeg at kunne inddrage en masse gode kræfter, så industrien kan tage materialet til sig og få skabt nogle arbejdspladser, før toget kører forbi os.

Jeg glæder mig til dialogen med jer.

Jeg får hjælp til at skrive og vedligeholde denne blog af studerende på Danmarks Medie- og Journalisthøjskole Astrid Ildor.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Nanoteknologi er fantastisk! Forøvrigt en spændende historie. Du skriver:

"I USA har man målt, at materialet har en trækstyrke på 465 megapascal per gram per kubikcentimeter og dermed er langt stærkere end stål."

Skal det læses MPa/(g/cm)? Hvad er den målte tensile strength og densitet?

  • 3
  • 0

Tak for kommentarer.

Jeg skal efter bedste evne forsøge at opklare, selv om der er rigtig meget, jeg heller ikke selv ved om materialet. Mange af de kommende spørgsmål håber jeg, at vi bliver klogere på i fællesskab. I sidste ende håber jeg, at I efter selv at have testet materialet ude i virksomhederne, kommer tilbage med svar på mange af de yderst relevante spørgsmål.

@Rasmus Peter Bøggild skrev i en meget fin kommentar til den sidste artikel om nanostål på ing.dk

http://ing.dk/artikel/dansk-ivaerksaetter-...

at det kaldes gravimetric strength på engelsk eller gravimetrisk styrke på dansk. Jeg kender ikke de bagved liggende tal. Parentesen er god nok, det skal bare være cm3. Det er trækstyrken normaliseret med massefylden af stoffet. I den oprindelige artikel fra University of Texas at Dallas skulle det være udpenslet.

Science 19 August 2005: Vol. 309 no. 5738 pp. 1215-1219 DOI: 10.1126/science.1115311 Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets

@Anders Du rammer plet med din kommentar! Materialet er jo så nyt, at der (til min viden!) ikke er lavet en maskine, der kan producere store mængder af stoffet. Det er i høj grad udfordringen at få designet og produceret sådan en. Råmaterialet er acetylengas (C2H2) hvor C-atomerne danner kulstofnanorørene, så det er næsten ”en-til-en” vægtmæssigt.

Så det kommer an på, hvad vi kan bygge sådan en maskine til og hvad den kan producere. Jeg går nu og overvejer og tegner skitser mens jeg håber på, at vi senere kan lave en work-shop i laboratoriet på Arresøvej i Risskov, hvor vi kan diskutere designs og muligheder i forbindelse med udvikling af sådan en maskine til kontinuerlig produktion af lodretstående kulstofnanorør.

Forskerene på University of Texas at Dallas går også og overvejer, hvordan sådant et system kan laves, så det kunne nemt blive et kollegialt kapløb mellem kontinenterne á la Ryder’s Cup for ingeniører ; o)

  • 4
  • 0

Så med andre ord er den målte styrke ikke speciel i forhold til de værdier der optræder på http://en.wikipedia.org/wiki/Specific_stre... . Heldigvis er der god plads til forbedring ift teoretisk maksimum!

Hvordan sammenføjer man nano stål (og andre "super" materialer) fast til andre materialer uden at skabe svage punkter i sammenføjningen? Fx hvis man gerne vil sætte et kabel fast til en armeret betonklods. En klampe vil vel presse strukturen i stykker?

  • 1
  • 0

Nanoteknologi er bestemt spændende, og jeg håber du lykkedes med at lave et rigtigt produkt så det ikke bare bliver inden forskning.

Men du må undskylde, men jeg kommer altså noget i tvivl om hvor meget af det du skriver her er reelt eller bare salgsgas. Min tvivl skyldes nedenstående citat og at det på din LinkedIn fremhæves at du ydermere er den første danske ingeniør inden nanoteknologi.

"Sådan blev jeg i december 2010 den første danske diplomingeniør i nanoteknologi"

Fra LinkedIn "As the first danish engineer in nanotechnology and the founder of the nano-engineering companies NanoSteel and Carbon Nano Europe, I seek to create jobs by implementing the breakthroughs from nanotechnology in the industry. NanoSteel also offers technology consultancy as well as public lectures on nanotechnology."

Nu er jeg selv uddannet ingeniør indenfor nanoteknologi (godt nok en civil en af slagsen) fra Aalborg Universitet i 2009 sammen med en folk andre. Og der var sågar et hold der blev færdige året før os ,2008. Og der var da mindst en af dem der sluttede som Diplom. Når det nu er noget du tydeligt fremhæver og sælger dig ved, kan du måske uddybe lidt om hvordan du kommer frem til at du er den første (diplom)ingeniør i Danmark.

  • 0
  • 1

Tak for yderligere kommentarer.

@Rasmus Sådan et spørgsmål om udfordringer med sammenføjningen mellem nanostål og andre materialer er super. Svaret er: Det ved jeg ikke. Det er begrænset, hvad jeg af erfaringer med materialet. Så langt er jeg ikke kommet endnu. Det er mit håb, at hidse industrien op til at lave forsøg med materialet, så sådanne nogle relevante spørgsmål bliver besvaret.

Fra primo december skulle jeg gerne kunne sende prøver ud til interesserede virksomheder, så de selv kan lave opstillinger, der kan give indikationer i sådan nogle retninger. Prøverne jeg nu kan lave er max. 7,5 cm. lange og bredden ved jeg ikke endnu, men maksimum er nok ca. 3 cm. Der er tale om et enkelt lag nanostål, men flere lag skulle også være muligt. I slutningen af næste uge (ultimo uge 48) skulle jeg få nogle holdere i polyether, så jeg kan fiksere glasholderene (to ca. 1mm glas-kapilærrør limet på en 76mm mikroskopplade), der igen holder nanostålet. Det hele skulle passe ned i en firkantet 13mm høj 12cm x 12cm petriskål, der kan forsejles med parafilm.

@Nikolaj Efter skiftet fra AU, læste jeg nanoteknologi på AAU fra 2008 til ult. 2010. Først i 2009 kom studieordningen for diplomingeniørstudiet i nanoteknologi og vi fandt ud af, at jeg havde taget nogle kurser, som jeg ikke behøvede (jeg fulgte jo civilingeniørerne) og jeg manglede pludseligt at tage andre bl.a. praktiske projekter. Jeg var den første færdiguddannede efter dén studieordning. Efterfølgende ringede jeg til SDU, KU, DTU og spurgte, om de også uddannede diplomingeniører i nanoteknologi og det gjorde de ikke. Hvis nogle omtaler mig som den første ()ingeniør i nanoteknologi i Danmark, forsøger jeg naturligvis at korrigere. Hvis der er uddannet nogle diplomingeniører i nanoteknologi før mig, er jeg meget interesseret i at vide det, for sådan skal det jo heller ikke være.

  • 1
  • 0

Det er et spændende projekt du har gang i, og jeg håber at du kan råbe nogle af de store investeringsfonde op, for det kan komme til at gå stærkt, når det først går storskala.

Eksempler på danske firmaer der arbejder med ... sikkerhedsudstyr, men hvor kravene til dokumentation sansynligvis vil være tårnhøje.

(TENCATE ADVANCED ARMOUR Damsbovej 10 . DK-5492 Vissenbjerg . Tel. +45 6548 1600 j.holck@tencate.com www.tencateadvancedarmour.com)

Forening af leverandører de er medlem af, her er flere firmaer. (link her) http://www.navalteam.dk/index.php?id=3

  • 0
  • 0

Tak Jan

CSIRO i Australien arbejdede med "Carbon Nanotubes for Ballistic Protection project was one of eight selected as part of the 2007 round of Defence CTD Program funding."

Det er "vores" kulstofnanorør, de bruger. De havde vist fået 2 mio. australske dollar til at lave en skudsikker vest, der endte med at blive 0,6mm tyk. Den skulle bestå af 6 lag vævet kulstofnanorør på hver 0,1mm og skulle kunne modstå en 9mm kugle.

  • 1
  • 0

Dette materiale kan fladvæves og flettes/ strikkes sammen på eksisterende vævemaskiner, hvis først det bliver spundet til tråd.

Stof lavet af vævet eller strikket kulfibertråd:

Områder hvor det kunne være relevant at afprøve stoffet: Løftebændler; kuglefaldskærme til rumfart. Rumdragter med fantastiske styrke/vægtforhold. lufttæt sammen med elastisk tæt matrixmasse. De mange lag muliggør flydende lag der selv lapper huller, trådløse selvkonfigurerende sensorer og lag med opvarmning af flydende varmetransporterende gel, og har gode muligheder for at blive realiseret. eks. den dag man kan 3d tripod printe nano kulstof struktur til eks. flerlags handsker, der rent faktisk kan bruges til at arbejde med i ekstrem tynd atmosfære. Kunne man ikke også arbejde med netop at udvikle en printer der med eks. en opvarmet kulstof/matrix printede strukturer, der inden for strukturens afgrænsning sammenflettede eller måske endda byggede videre på kulstof krystal rørgitrene. Det vil nok være en udfordring at få dem gennem printerdyserne, og den lidt "uldne" overflade der skal til for at "selvlåse" tuberne vil måske kræve en særlig nano pille teknik,muligvis hvor piller indlejres i en varm overflade, udsættes for en kortvarig opvarmningssekvens, der får nanotubernes prædefinerede låseprofiler til at aktiveres. Dyseprojektet må køre endvidere kunne køre simultant med flere typer dyser, dyser der opbygger "startlag" og dyser der opbygger "stop"lag. En slags " Pilleautomat" for hver af de forskellige lagtyper, der kan påfyldes online til dysehovederne. En anden type lag/matrix sammensætning kunne være gribeområder, med materialer der dannede "mikroriller" og havde samme /greb/eftergivenhed i minusgrader, på linie med fingre i naturligt frostfrit miljø.

Der bliver behov for udvikling af stor teknologisk "know how" og dermed udviklingsarbejde henover en del allerede eksisterende platforme , men det er vel ikke noget der kan skræmme danske ingeniører. Eller skal vi give alle de gode ideer til kineserne???

  • 0
  • 0

@Børge Christensen

RISØ har vist interesse for, om kulstofnanorør kunne forstærke de enkelte glasfibre. Interessen var her primært, om man kunne få de enkelte (meget stærke) kulstofnanorør til at sidde på glasfibrene og ad dén vej gøre glasfiberen stærkere.

Mercedes har med Bayer lavet et storskalaværk ved den Belgiske grænse, hvor de også blander kulstofnanorør bulk ind i en plastik-polymér - det havde de fine resultater med. Jeg har været på en konference i Tyskland, hvor de præsenterede en forskærm til den nye S-model, der kun vejede 1½ kg og var klar til topcoat direkte på.

Det kunne naturligvis være spændende at prøve med PLA plasten i din printer. Måske det lå mere til højrebenet, at prøve at vikle et lag nanostål omkring plasten og se, hvad der skete. Så kunne man også varme den op med mikrobølger, hvis det var bedre . . .

Der er nok af muligheder. Det vigtige er, at komme i gang med at se, hvad der giver mest mening. . .

  • 1
  • 0

Har læst en gang, at nano-stål er en gammel opfindelse, men man dengang ikke vidste at det var nano-stål. Nogle af de gamle sværd, er fremstillet efter hemmelige opskrifter, og deres særlige egenskaber skyldes netop nanostål.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten