ナノスケール素材が火災を制御する新しい方法を提供

高温の炎はさまざまな材料の作成に使用されますが、一度火を起こすと、炎が処理しようとしている材料とどのように相互作用するかを制御するのが困難になる場合があります。 研究者らは現在、分子のように薄い保護層を利用して炎の熱が材料とどのように相互作用するかを制御する技術を開発した。これにより、炎を鎮め、ユーザーが加工された材料の特性を微調整できるようになった。

「火災は貴重な工学ツールです。結局のところ、溶鉱炉は激しい火災にすぎません」と、この研究に関する論文の責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学の教授であるマーティン・トゥオ氏は言う。 「しかし、一度火を起こしてしまうと、その挙動をほとんど制御できないことがよくあります。

「逆熱劣化（ITD）と呼ばれる私たちの技術は、ターゲットの材料上にナノスケールの薄膜を使用します。 薄膜は火の熱に反応して変化し、材料にアクセスできる酸素の量を調節します。 つまり、材料の加熱速度を制御できることになり、材料内で起こる化学反応に影響を与えることができます。 基本的に、火が材料をどこでどのように変化させるかを微調整できます。」

ITD の仕組みは次のとおりです。 まず、セルロース繊維などのターゲット素材から始めます。 次に、その繊維はナノメートルの厚さの分子層でコーティングされます。 次に、コーティングされた繊維は激しい炎にさらされます。 分子の外表面は容易に燃焼し、すぐ近くの温度が上昇します。 しかし、分子コーティングの内面が化学的に変化し、セルロース繊維の周囲にさらに薄いガラスの層が形成されます。 このガラスは繊維にアクセスできる酸素の量を制限し、セルロースの爆発を防ぎます。 代わりに、繊維がくすぶり、内側から外側へゆっくりと燃え上がります。

「ITD の保護層がなければ、セルロース繊維に火を当てても灰が生じるだけです」とトゥオ氏は言います。 「ITD の保護層を使用すると、最終的にはカーボン チューブになります。

「保護層を設計して、ターゲット材料に到達する酸素の量を調整できます。 そして、望ましい特性を生み出すためにターゲット材料を設計することができます。」

研究者らは、セルロース繊維を使用してマイクロスケールのカーボンチューブを製造する概念実証のデモンストレーションを実施しました。

研究者らは、セルロース繊維のサイズを制御することでカーボンチューブの壁の厚さを制御することができました。 繊維にさまざまな塩を導入することによって（燃焼速度をさらに制御します）、 保護層を通過する酸素の量を変えることによって。

「すでにいくつかの応用例を念頭に置いており、将来の研究で取り上げる予定です」とトゥオ氏は言う。 「私たちはまた、産業用途と環境修復の両方に役立つ油水分離用の人工カーボンチューブの開発など、さまざまな実用化を模索するために民間部門と協力することに前向きです。」

論文「熱変形表面付加物による空間指向性熱分解」は、学術誌 Angewandte Chemie に掲載されます。 共著者は、Dhanush Jamadgni 氏と Alana Pauls 博士です。 ノースカロライナ州立大学の学生。 ジュリア・チャン氏とアンドリュー・マーティン氏、ノースカロライナ州立大学博士研究員。 アイオワ州立大学のChuanshen Du、Paul Gregory、Rick Dorn、Aaron Rossini。 ブリティッシュコロンビア大学のE.ヨハン・フォスター氏。

-船員-

編集者へのメモ:研究の要約は次のとおりです。

「熱的に変形する表面付加物による空間指向性熱分解」

著者: Chuanshen Du および Paul Gregory、アイオワ州立大学。 Dhanush U. Jamadgni、Alana M. Pauls、Julia J. Chang、Andrew Martin、Martin Thuo、ノースカロライナ州立大学およびアイオワ州立大学。 アイオワ州立大学および米国エネルギー省のリック・W・ドーン氏とアーロン・J・ロッシーニ氏。 E. ヨハン・フォスター、ブリティッシュ・コロンビア大学