Cosa collega le leggendarie spade damascene del passato con l'elettronica flessibile e il cablaggio elettrico ad alte prestazioni del futuro? Devono tutti le loro notevoli proprietà alle diverse forme strutturali del carbonio.

Le spade più letali della storia - le sciabole "damascene" forgiate in Medio Oriente dal XIII al XVIII secolo - erano così affilate da poter tagliare la seta che cade, così la leggenda vuole. Si pensa che le loro qualità sorprendenti derivino da una combinazione di impurità specifiche nel minerale di ferro e da quanto caldo e per quanto tempo sono stati cotti, un processo che alcuni scienziati ritengono possa aver creato inconsapevolmente nanotubi di carbonio (CNT) al loro interno.

Questi sottili, i tubi cavi hanno uno spessore di un solo atomo di carbonio. Come il loro cugino di carbonio, grafene – in cui gli atomi giacciono piatti, in un foglio bidimensionale – sono tra i più resistenti, materiali più leggeri e flessibili conosciuti.

"Secoli avanti veloce, " ha affermato il dottor Stephan Hofmann del Dipartimento di Ingegneria, "e ora ci rendiamo conto che esiste un'intera famiglia di queste straordinarie forme di origami di carbonio... e come realizzarle". Infatti, l'Università ha oltre 25 anni di esperienza all'avanguardia nella nanotecnologia del carbonio, dal diamante ai nanotubi, e dai polimeri conduttori al carbonio simile al diamante e al grafene.

Ciò che rende le nanoforme di carbonio come il grafene e i CNT così eccitanti sono le loro proprietà elettriche e termiche. Il loro potenziale utilizzo in applicazioni quali cablaggi elettrici più leggeri, batterie più sottili, materiali da costruzione più resistenti e dispositivi flessibili potrebbero avere un impatto trasformativo sull'energia, industrie dei trasporti e della sanità. Di conseguenza, investimenti per un totale di milioni di sterline stanno ora sostenendo la ricerca e lo sviluppo nella ricerca basata sul carbonio in tutta l'Università.

"Ma tutti i superlativi attribuiti ai materiali si riferiscono a un individuo, atomicamente perfetto, nanotubi o scaglie di grafene, " Ha aggiunto Hofmann. "L'elefante spesso raffigurato sostenuto da un foglio di grafene incarna le aspettative spesso non realistiche. La sfida resta quella di ottenere alta qualità su larga scala e a basso costo, e per interfacciare e integrare i materiali nei dispositivi."

Queste sono le tipologie di sfide che i ricercatori dei Dipartimenti di Ingegneria, Scienza dei materiali e metallurgia, Fisica e Chimica, e il Cambridge Graphene Center hanno lavorato per superarlo.

Professor Alan Windle del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Metallurgia, ad esempio, ha utilizzato un processo di deposizione chimica da vapore per "filare" fibre molto resistenti e resistenti fatte interamente di CNT. I nanotubi formano fumo nel reattore ma, perché sono aggrovigliati ed elastici, le fibre possono essere avvolte continuamente fuori dal reattore come il nano zucchero filato. La trama filiforme delle fibre conferisce loro straordinaria tenacità e resistenza al taglio, rendendole alternative promettenti alle fibre di carbonio o alle fibre polimeriche ad alte prestazioni come il Kevlar, nonché per la costruzione di polimeri rinforzati con fibre su misura utilizzati nelle applicazioni aerospaziali e sportive.

È sul fronte elettrico che incontrano la loro sfida più grande, come ha spiegato Windle:"Il processo di produzione viene ampliato attraverso uno spin-out di Cambridge, Q-Flo; però, la conduttività elettrica è la prossima grande sfida per le fibre CNT in laboratorio. Comprendere e sviluppare la fibra in sostituzione dei conduttori in rame cambierà il mondo, con enormi vantaggi».

Nel 2013, Il collega di Windle, il dottor Krzysztof Koziol, è riuscito a realizzare cablaggi elettrici realizzati interamente con fibre CNT e a sviluppare una lega in grado di saldare i fili di carbonio al metallo, rendendo possibile incorporare fili CNT in circuiti convenzionali. Il team ora realizza fili che vanno da pochi micrometri a pochi millimetri di diametro a una velocità massima di 20 metri al minuto:un'impresa non da poco se si considera che ogni CNT è diecimila volte più stretto di un capello umano.

Con il finanziamento della Royal Society e del Consiglio europeo della ricerca (CER), la ricerca è finalizzata all'utilizzo dei CNT in sostituzione del rame e dell'alluminio nei cablaggi elettrici domestici, linee elettriche aeree e aeromobili. I CNT trasportano più corrente, perdono meno energia in calore e non richiedono l'estrazione di minerali dalla terra.

Inoltre, possono essere prodotti da gas serra; Il team di Koziol sta lavorando con la società spin-out FGV Cambridge Nanosistemi per diventare la prima azienda al mondo a produrre CNT di alta qualità e grafene direttamente da gas naturale o biogas contaminato. L'azienda opera già su scala industriale, con grafene di elevata purezza prodotto a 1 kg all'ora. "L'obiettivo è produrre materiali di alta qualità che possano essere direttamente implementati in nuovi dispositivi, o utilizzati per migliorare altri materiali, come il vetro, metallo o polimeri, "
disse Koziol.

Lavorare direttamente con l'industria sarà fondamentale per accelerare la transizione dal laboratorio alla fabbrica per i nuovi materiali. Hofmann sta conducendo un grande sforzo per sviluppare la tecnologia di produzione e di elaborazione integrata per i CNT, grafene e relativi nanomateriali, con il finanziamento dell'ERC e del Consiglio per la ricerca in ingegneria e scienze fisiche (EPSRC), e in collaborazione con una rete di partner industriali.

"Il campo è in una fase molto eccitante, " Egli ha detto, "Ora, non solo possiamo "vedere" e risolvere le loro intricate strutture, ma nuove tecniche di caratterizzazione ci consentono di realizzare video in tempo reale di come si assemblano, atomo per atomo. Stiamo cominciando a capire cosa governa la loro crescita e come si comportano in ambienti industrialmente rilevanti. Questo ci permette di controllare meglio le loro proprietà, allineamento, posizione e si interfaccia con altri materiali, che è la chiave per sbloccare il loro potenziale commerciale."

Per applicazioni di fascia alta nel settore dell'elettronica e della fotonica, raggiungere questo livello di controllo non è solo auspicabile, ma una necessità. La capacità di produrre carbonio in modo controllabile nelle sue numerose forme strutturali amplia il "portafoglio di materiali" di cui dispone un ingegnere moderno. Con pellicole di carbonio o strutture già presenti in prodotti come dischi rigidi, lamette da barba e batterie agli ioni di litio, l'uso industriale dei CNT sta diventando sempre più diffuso, guidato, ad esempio, dalla domanda di nuove tecnologie come dispositivi flessibili e dalla nostra necessità di raccogliere, convertire e immagazzinare energia in modo più efficiente.

Professor Andrea Ferrari, Direttore del Cambridge Graphene Center e del programma di formazione di dottorato, che è stato finanziato attraverso una sovvenzione di 17 milioni di sterline dall'EPSRC, ha spiegato:"Ora le persone possono produrre grafene a tonnellate - non è un problema. La sfida è abbinare le proprietà del grafene che produci con l'applicazione finale. Le nostre strutture e attrezzature sono state selezionate per promuovere l'allineamento con l'industria; abbiamo collaborazioni con oltre 20 aziende che condividono la nostra agenda di avanzare applicazioni nella vita reale, e molti altri stanno discutendo del loro coinvolgimento con le nostre attività."

Cambridge ha aperto la strada all'ingegneria e alla tecnologia del grafene fin dall'inizio e, con più spin-off, è diventato un hub per la produzione e l'innovazione del grafene. Il Cambridge Graphene Center mira a migliorare le tecniche di produzione del grafene e dei materiali correlati, oltre a esplorare le applicazioni nei settori dell'accumulo di energia e dei dispositivi di raccolta, elettronica ad alta frequenza, fotonica, elettronica flessibile e indossabile, e compositi. Il grafene è anche al centro di finanziamenti europei su larga scala:il Graphene Flagship, un decennale paneuropeo, Il programma scientifico e tecnologico da 1 miliardo di euro è stato lanciato nel 2013. Ferrari è stato uno degli investigatori chiave che hanno preparato la proposta, ha guidato lo sviluppo della roadmap scientifica e tecnologica per il progetto, e ora presiede il comitato esecutivo dell'ammiraglia.

Ora, sono iniziati i lavori di costruzione di una struttura su misura da 12,9 milioni di sterline che ospiterà il Cambridge Graphene Centre, con spazi aggiuntivi per elettronica di grandi dimensioni. L'apertura della struttura è prevista per la tarda primavera 2015.

"Riconosciamo che c'è ancora molto da fare prima che la promessa iniziale diventi realtà, ma ci sono grandi opportunità ora, " ha detto Ferrari. "Siamo all'inizio di un viaggio. Non conosciamo il risultato finale, ma il potenziale del grafene e dei materiali correlati è tale che ha perfettamente senso dedicare un grande sforzo in questo momento".