Les chercheurs ont développé une méthode, appelée dégradation thermique inverse (ITD), pour contrôler la manière dont les flammes interagissent avec les matériaux à l’aide d’une couche protectrice à l’échelle nanométrique. Cela permet un réglage précis des propriétés du matériau traité, démontré par la création de tubes de carbone à l’échelle microscopique à partir de fibres de cellulose.
Les flammes à haute température sont indispensables à la production de nombreux matériaux. Cependant, contrôler un incendie et son interaction avec le matériau visé peut s’avérer difficile. Les scientifiques ont maintenant développé une méthode qui utilise une fine couche protectrice de molécule pour contrôler la façon dont la chaleur de la flamme interagit avec le matériau – apprivoisant ainsi le feu et permettant aux utilisateurs d’ajuster avec précision les caractéristiques du matériau traité.
« Le feu est un outil d’ingénierie précieux. Après tout, un haut fourneau n’est qu’un feu intense », explique Martin Thuo, auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, une fois que vous avez allumé un incendie, vous avez souvent peu de contrôle sur son comportement.
« Notre technique, que nous appelons dégradation thermique inverse (ITD), utilise un à l’échelle nanométrique film mince sur un matériau ciblé. Le film mince change en réponse à la chaleur du feu et régule la quantité d’oxygène pouvant accéder au matériau. Cela signifie que nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle le matériau chauffe, ce qui, à son tour, influence les réactions chimiques qui se produisent au sein du matériau. Fondamentalement, nous pouvons affiner comment et où le feu modifie le matériau.
Voici comment fonctionne l’ITD. Vous commencez avec votre matériau cible, comme une fibre de cellulose. Cette fibre est ensuite recouverte d’une couche de molécules d’une épaisseur nanométrique. Les fibres enduites sont ensuite exposées à une flamme intense. La surface externe des molécules s’enflamme facilement, augmentant ainsi la température à proximité immédiate. Mais la surface interne du revêtement moléculaire change chimiquement, créant une couche de verre encore plus fine autour des fibres de cellulose. Ce verre limite la quantité d’oxygène qui peut accéder aux fibres, empêchant ainsi la cellulose de s’enflammer. Au lieu de cela, les fibres couvent – brûlant lentement, de l’intérieur vers l’extérieur.
« Sans la couche protectrice de l’ITD, l’application d’une flamme sur les fibres de cellulose ne produirait que des cendres », explique Thuo. « Avec la couche protectrice de l’ITD, vous vous retrouvez avec des tubes en carbone.
« Nous pouvons concevoir la couche protectrice afin d’ajuster la quantité d’oxygène qui atteint le matériau cible. Et nous pouvons concevoir le matériau cible afin de produire les caractéristiques souhaitées.
Les chercheurs ont mené des démonstrations de validation de principe avec des fibres de cellulose pour produire des tubes de carbone à l’échelle microscopique.
Les chercheurs ont pu contrôler l’épaisseur des parois des tubes de carbone en contrôlant la taille des fibres de cellulose avec lesquelles ils ont commencé ; en introduisant divers sels dans les fibres (ce qui contrôle davantage la vitesse de combustion) ; et en faisant varier la quantité d’oxygène qui traverse la couche protectrice.
« Nous avons déjà plusieurs applications en tête, que nous aborderons dans de futures études », explique Thuo. « Nous sommes également disposés à travailler avec le secteur privé pour explorer diverses utilisations pratiques, telles que le développement de tubes en carbone pour la séparation huile-eau, qui seraient utiles à la fois pour les applications industrielles et pour l’assainissement de l’environnement. »
