(Phys.org)—L'ultima scoperta nanotecnologica della Rice University ha richiesto più di 10 anni di lavoro, ma è comunque arrivato con uno shock. Scienziati di Riso, l'azienda olandese Teijin Aramid, l'aeronautica americana e il Technion Institute israeliano questa settimana hanno presentato una nuova fibra di nanotubi di carbonio (CNT) che sembra e si comporta come un filo tessile e conduce elettricità e calore come un filo metallico. Nel numero di questa settimana di Scienza , i ricercatori descrivono un processo scalabile industrialmente per realizzare le fibre filiformi, che superano in molti modi i materiali ad alte prestazioni disponibili in commercio.

"Finalmente abbiamo una fibra di nanotubi con proprietà che non esistono in nessun altro materiale, " ha affermato il ricercatore capo Matteo Pasquali, professore di chimica e ingegneria biomolecolare e chimica alla Rice. "Sembra un filo di cotone nero, ma si comporta sia come fili di metallo che come fibre di carbonio resistenti".

Il gruppo di ricerca comprende accademici, scienziati del governo e dell'industria di Rice; La sede di Teijin Aramid ad Arnhem, Paesi Bassi; il Technion-Israel Institute of Technology di Haifa, Israele; e l'Air Force Research Laboratory (AFRL) a Dayton, Ohio.

"Le nuove fibre CNT hanno una conducibilità termica che si avvicina a quella delle migliori fibre di grafite ma con una conducibilità elettrica 10 volte maggiore, ", ha affermato il coautore dello studio Marcin Otto, responsabile dello sviluppo aziendale presso Teijin Aramid. "Le fibre di grafite sono anche fragili, mentre le nuove fibre CNT sono flessibili e resistenti come un filo tessile. Prevediamo che questa combinazione di proprietà porterà a nuovi prodotti con capacità uniche per il settore aerospaziale, settore automobilistico, mercati medici e dell'abbigliamento intelligente".

Le proprietà fenomenali dei nanotubi di carbonio hanno affascinato gli scienziati dal momento della loro scoperta nel 1991. I tubi cavi di carbonio puro, che sono larghi quasi quanto un filamento di DNA, sono circa 100 volte più resistenti dell'acciaio a un sesto del peso. Le proprietà conduttive dei nanotubi, sia per l'elettricità che per il calore, rivaleggiano con i migliori conduttori metallici. Possono anche servire come semiconduttori attivati ​​dalla luce, dispositivi per la somministrazione di farmaci e persino spugne per assorbire l'olio.

Sfortunatamente, i nanotubi di carbonio sono anche la prima donna dei nanomateriali; sono difficili da lavorare, nonostante il loro squisito potenziale. Per i principianti, trovare i mezzi per produrre grandi quantità di nanotubi ha richiesto quasi un decennio. Gli scienziati hanno anche appreso presto che esistevano diverse dozzine di tipi di nanotubi, ciascuno con materiale e proprietà elettriche unici; e gli ingegneri devono ancora trovare un modo per produrre un solo tipo. Anziché, tutti i metodi di produzione producono un miscuglio di tipi, spesso in ciuffi simili a palle di pelo.

La creazione di oggetti su larga scala da questi gruppi di nanotubi è stata una sfida. Una fibra filiforme che è meno di un quarto dello spessore di un capello umano conterrà decine di milioni di nanotubi imballati uno accanto all'altro. Idealmente, questi nanotubi saranno perfettamente allineati, come matite in una scatola, e ben imballati. Alcuni laboratori hanno esplorato i mezzi per far crescere tali fibre intere, ma i tassi di produzione di queste fibre "a stato solido" si sono dimostrati piuttosto lenti rispetto ai metodi di produzione delle fibre che si basano su un processo chimico chiamato "filatura a umido". In questo processo, grumi di nanotubi grezzi vengono sciolti in un liquido e spruzzati attraverso minuscoli fori per formare lunghi filamenti.

Poco dopo essere arrivato a Rice nel 2000, Pasquali iniziò a studiare i metodi di filatura a umido CNT con il compianto Richard Smalley, un pioniere delle nanotecnologie e l'omonimo dello Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology di Rice. Nel 2003, due anni prima della sua prematura scomparsa, Smalley ha lavorato con Pasquali e colleghi per creare le prime fibre di nanotubi puri. Il lavoro ha stabilito un processo di filatura a umido rilevante a livello industriale per i nanotubi che era analogo ai metodi utilizzati per creare fibre aramidiche ad alte prestazioni, come il Twaron di Teijin, che vengono utilizzate nei giubbotti antiproiettile e in altri prodotti. Ma il processo doveva essere perfezionato. Le fibre non erano molto resistenti o conduttive, dovuto in parte alle lacune e al disallineamento dei milioni di nanotubi al loro interno.

"Il raggiungimento di un imballaggio e un allineamento molto elevati dei nanotubi di carbonio nelle fibre è fondamentale, ", ha affermato il coautore dello studio Yeshayahu Talmon, direttore del Russell Berrie Nanotechnology Institute del Technion, che ha iniziato a collaborare con Pasquali circa cinque anni fa.

La prossima grande svolta è arrivata nel 2009, quando Talmon, Pasquali e colleghi hanno scoperto il primo vero solvente per i nanotubi:l'acido clorosolfonico. Per la prima volta, gli scienziati avevano un modo per creare soluzioni altamente concentrate di nanotubi, uno sviluppo che ha portato a un migliore allineamento e imballaggio.

"Fino a quel momento, nessuno pensava che fosse possibile estrarre l'acido clorosolfonico perché reagisce con l'acqua, "Pasqualli ha detto. "Uno studente laureato nel mio laboratorio, Natnael Bahabtu, trovato modi semplici per dimostrare che le fibre CNT potrebbero essere filate da soluzioni di acido clorosolfonico. Questo è stato fondamentale per questo nuovo processo".

Pasquali ha affermato che altri laboratori hanno scoperto che anche la resistenza e la conduttività delle fibre filate potrebbero essere migliorate se il materiale di partenza, i grumi di nanotubi grezzi, contenesse lunghi nanotubi con pochi difetti atomici. Nel 2010, Pasquali e Talmon hanno iniziato a sperimentare con i nanotubi di diversi fornitori ea lavorare con gli scienziati dell'AFRL per misurare le precise proprietà elettriche e termiche delle fibre migliorate.

Durante lo stesso periodo, Otto was evaluating methods that different research centers had proposed for making CNT fibers. He envisaged combining Pasquali's discoveries, Teijin Aramid's know-how and the use of long CNTs to further the development of high performance CNT fibers. Nel 2010, Teijin Aramid set up and funded a project with Rice, and the company's fiber-spinning experts have collaborated with Rice scientists throughout the project.

"The Teijin scientific and technical help led to immediate improvements in strength and conductivity, " Pasquali said.

Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, disse, "The research showed that the electrical conductivity of the fibers could be tuned and optimized with techniques that were applied after initial production. This led to the highest conductivity ever reported for a macroscopic CNT fiber."

The fibers reported in Scienza have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, Pasquali said. The specific electrical conductivity of the new fibers is on par with copper, gold and aluminum wires, but the new material has advantages over metal wires.

Per esempio, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, Pasquali said.

"Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, " he said. "In many cases, people use metal wires that are far more thick than required for the electrical needs, simply because it's not feasible to produce a thinner wire. Data cables are a particularly good example of this."