美国国家标准与技术研究所的 新研究表明, 3D打印塑料与一种用于探测和储存气体的多功能材料结合后可用于制造低成本的传感器和燃料电池.
这种多功能材料是一种金属有机框架化合物(MOF);这些材料制作简单, 成本低廉, 其中的一些材料还可以用于从空气中捕捉一种特殊气体 . 从微观的角度看, 这些金属有机框架看起来就像是正在建设中的建筑——就是你想象中钢梁构架的空间结构. MOF的一种特殊性能是, 它能够允许流体在它的空间内流动, 而它的梁柱会吸收液体中的特定部分, 并在剩余的液体流过去时抓住这些特定部分. 这种材料在炼油和炼制其他碳氢化合物等方面是非常有潜力的候选者.
金属有机框架化合物已经引起了来自NIST和美国大学的科学家们的注意, 因为 这种材料还可以为成本低廉的传感技术奠定基础 . 例如, 某些MOFs可以用来过滤甲烷或二氧化碳这种温室气体. 然而问题是, 新制造的MOFs是体积跟尘埃差不多大小的微小颗粒. 而且你利用这些甚至能从指缝中滑走的材料制造出一个有用的传感器是非常困难的.
为了解决这个问题, 该团队决定尝试将MOFs与3D打印机使用的塑料混合在一起. 合成的塑料材料不仅可以被塑造成团队想要的形状, 而且具有足够的渗透性让气体通过它, 也就是说, MOFs可以探测到团队想要探测到的特定气体分子. 但是混合之后, MOFs还会起作用吗?
在一篇关于先进技术聚合物的论文中, 研究人员表示, 这个想法不仅可以用于传感器, 还可以用于其他方面. 他们证明 MOFs和塑料可以很好地结合在一起 ;例如, 当这种混合物融化时, MOFs不仅不会沉淀到塑料的底部, 反而会均匀分布在混合物中.
NIST的传感器专家Zeeshan Ahmed 说: '汽车行业一直在寻找一种廉价, 轻量的方式来储存氢动力汽车的燃料. 我们希望这种MOFs和塑料的混合物可以成为氢动力汽车燃料箱的基础. '
该论文还表明, 当固体混合物和塑料同时暴露在氢气中时, 它比塑料本身保留的氢气多出50倍以上, 这表明即使和塑料混合在一起, MOFs仍能有效地发挥作用. 这些都是令人欣喜的结果, 但还是无法达到燃料电池的要求.
Ahmed说, 他的团队成员乐观地认为, 这个想法可以得到改进并成为现实. 他们已经在第二篇即将发表的论文中进行了初步的研究, 这篇论文探讨了另外两种MOFs在吸收氮气和氢气方面的效果, 同时还展示了怎样降低湿度的降解对这种MOFs和塑料的混合物的影响. 目前, 该团队正在寻求与其他NIST的研究小组合作的机会, 共同开发基于MOF的传感器.
来自NIST的科学家Zeeshan Ahmed表示: '我们的目标是找到一种可以储存4.5%氢气的储存方法, 而现在我们的储存量还不到1%. 但是从材料的角度来看, 我们并不需要为了达到这个目标而做出显著的改善. 所以我们看到玻璃或塑料已经可以充满一半了. '