美國國家標準與技術研究所的 新研究表明, 3D列印塑料與一種用於探測和儲存氣體的多功能材料結合後可用於製造低成本的感測器和燃料電池.
這種多功能材料是一種金屬有機框架化合物(MOF);這些材料製作簡單, 成本低廉, 其中的一些材料還可以用於從空氣中捕捉一種特殊氣體 . 從微觀的角度看, 這些金屬有機框架看起來就像是正在建設中的建築——就是你想象中鋼樑構架的空間結構. MOF的一種特殊性能是, 它能夠允許流體在它的空間內流動, 而它的樑柱會吸收液體中的特定部分, 並在剩餘的液體流過去時抓住這些特定部分. 這種材料在煉油和煉製其他碳氫化合物等方面是非常有潛力的候選者.
金屬有機框架化合物已經引起了來自NIST和美國大學的科學家們的注意, 因為 這種材料還可以為成本低廉的感測技術奠定基礎 . 例如, 某些MOFs可以用來過濾甲烷或二氧化碳這種溫室氣體. 然而問題是, 新製造的MOFs是體積跟塵埃差不多大小的微小顆粒. 而且你利用這些甚至能從指縫中滑走的材料製造出一個有用的感測器是非常困難的.
為了解決這個問題, 該團隊決定嘗試將MOFs與3D印表機使用的塑料混合在一起. 合成的塑料材料不僅可以被塑造成團隊想要的形狀, 而且具有足夠的滲透性讓氣體通過它, 也就是說, MOFs可以探測到團隊想要探測到的特定氣體分子. 但是混合之後, MOFs還會起作用嗎?
在一篇關於先進技術聚合物的論文中, 研究人員表示, 這個想法不僅可以用於感測器, 還可以用於其他方面. 他們證明 MOFs和塑料可以很好地結合在一起 ;例如, 當這種混合物融化時, MOFs不僅不會沉澱到塑料的底部, 反而會均勻分布在混合物中.
NIST的感測器專家Zeeshan Ahmed 說: '汽車行業一直在尋找一種廉價, 輕量的方式來儲存氫動力汽車的燃料. 我們希望這種MOFs和塑料的混合物可以成為氫動力汽車燃料箱的基礎. '
該論文還表明, 當固體混合物和塑料同時暴露在氫氣中時, 它比塑料本身保留的氫氣多出50倍以上, 這表明即使和塑料混合在一起, MOFs仍能有效地發揮作用. 這些都是令人欣喜的結果, 但還是無法達到燃料電池的要求.
Ahmed說, 他的團隊成員樂觀地認為, 這個想法可以得到改進並成為現實. 他們已經在第二篇即將發表的論文中進行了初步的研究, 這篇論文探討了另外兩種MOFs在吸收氮氣和氫氣方面的效果, 同時還展示了怎樣降低濕度的降解對這種MOFs和塑料的混合物的影響. 目前, 該團隊正在尋求與其他NIST的研究小組合作的機會, 共同開發基於MOF的感測器.
來自NIST的科學家Zeeshan Ahmed表示: '我們的目標是找到一種可以儲存4.5%氫氣的儲存方法, 而現在我們的儲存量還不到1%. 但是從材料的角度來看, 我們並不需要為了達到這個目標而做出顯著的改善. 所以我們看到玻璃或塑料已經可以充滿一半了. '