Un team di ricerca internazionale con sede presso l'Università del Texas a Dallas ha realizzato fibre elettricamente conduttrici che possono essere allungate in modo reversibile fino a oltre 14 volte la loro lunghezza iniziale e la cui conduttività elettrica aumenta di 200 volte quando vengono allungate.

Il team di ricerca sta utilizzando le nuove fibre per creare muscoli artificiali, così come i condensatori la cui capacità di accumulo di energia aumenta di circa dieci volte quando le fibre vengono allungate. Fibre e cavi derivati ​​dall'invenzione potrebbero un giorno essere utilizzati come interconnessioni per circuiti elettronici superelastici; robot ed esoscheletri di grande portata; aereo morphing; sensori di deformazione a raggio gigante; elettrocateteri per pacemaker esenti da guasti; e cavi di ricarica super elastici per dispositivi elettronici.

In uno studio pubblicato nel numero del 24 luglio della rivista Scienza , gli scienziati descrivono come hanno costruito le fibre avvolgendole più leggere dell'aria, fogli elettricamente conduttivi di minuscoli nanotubi di carbonio per formare una guaina gelatinosa attorno a un lungo nucleo di gomma.

Le nuove fibre differiscono dai materiali convenzionali in diversi modi. Per esempio, quando le fibre convenzionali sono allungate, il conseguente aumento di lunghezza e diminuzione dell'area della sezione trasversale limita il flusso di elettroni attraverso il materiale. Ma anche un tratto "gigante" delle nuove fibre conduttrici di guaina-anima provoca pochi cambiamenti nella loro resistenza elettrica, disse il dottor Ray Baughman, autore senior dell'articolo e direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute presso l'UT Dallas.

Una chiave per le prestazioni delle nuove fibre elastiche conduttrici è l'introduzione dell'instabilità nei fogli di nanotubi di carbonio. Poiché l'anima di gomma viene allungata per tutta la sua lunghezza mentre i fogli vengono avvolti attorno ad essa, quando la gomma avvolta si rilassa, le nanofibre di carbonio formano una complessa struttura a fibbia, che consente lo stiramento ripetuto della fibra.

"Pensa alla deformazione che si verifica quando una fisarmonica viene compressa, che rende estensibile il materiale anelastico della fisarmonica, " disse Baughman, la Distinguished Chair di Robert A. Welch in Chimica presso UT Dallas.

"Rendiamo le guaine anelastiche di nanotubi di carbonio delle nostre fibre guaina-anima super elastiche modulando fibbie grandi con fibbie piccole, in modo che l'allungamento di entrambi i tipi di fibbia possa contribuire all'elasticità. Queste incredibili fibre mantengono la stessa resistenza elettrica, anche quando allungato da enormi quantità, perché gli elettroni possono viaggiare su una guaina così gerarchicamente piegata con la stessa facilità con cui possono attraversare una guaina diritta".

Dott. Zunfeng Liu, autore principale dello studio e ricercatore associato presso il NanoTech Institute, ha affermato che la struttura delle fibre guaina-nucleo "ha un'ulteriore complessità interessante e importante". Le fibbie si formano non solo lungo la lunghezza della fibra, ma anche intorno alla sua circonferenza.

"Il restringimento della circonferenza della fibra durante l'allungamento della fibra provoca questo secondo tipo di deformazione gerarchica reversibile attorno alla sua circonferenza, anche se l'instabilità nella direzione della fibra scompare temporaneamente, " Liu ha detto. "Questa nuova combinazione di deformazione in due dimensioni evita il disallineamento delle direzioni dei nanotubi e del nucleo di gomma, consentendo alla resistenza elettrica della fibra del nucleo della guaina di essere insensibile all'allungamento."

Aggiungendo un sottile strato di gomma alle fibre del nucleo della guaina e poi un'altra guaina di nanotubi di carbonio, i ricercatori hanno realizzato sensori di deformazione e muscoli artificiali in cui le guaine di nanotubi piegate fungono da elettrodi e il sottile strato di gomma è un dielettrico, risultante in un condensatore in fibra. Questi condensatori in fibra hanno mostrato una variazione di capacità dell'860 percento quando la fibra è stata allungata del 950 percento.

"Nessun sensore di deformazione basato sul materiale attualmente disponibile può funzionare su un intervallo di deformazione quasi altrettanto ampio, " ha detto Liù.

L'aggiunta di torsione a queste fibre a doppia guaina ha portato a una rapida, muscoli artificiali torsionali o rotanti alimentati elettricamente che potrebbero essere utilizzati per ruotare specchi in circuiti ottici o pompare liquidi in dispositivi in ​​miniatura utilizzati per analisi chimiche, ha detto il dottor Carter Haines BS'11, PhD'15, un ricercatore associato presso il NanoTech Institute e autore del documento.

In laboratorio, Nan Jiang, un ricercatore associato al NanoTech Institute, dimostrato che gli elastomeri conduttori possono essere fabbricati in diametri che vanno dal molto piccolo, circa 150 micron, o due volte la larghezza di un capello umano, a dimensioni molto più grandi, a seconda delle dimensioni del nucleo di gomma. "Anche le singole piccole fibre possono essere combinate in grandi fasci e intrecciate insieme come filo o corda, " lei disse.

"Questa tecnologia potrebbe essere adatta per una rapida commercializzazione, " ha affermato la dott.ssa Raquel Ovalle-Robles MS'06 PhD'08, un autore della carta e capo stratega di ricerca e proprietà intellettuali presso Lintec of America's Nano-Science &Technology Center.

"Le anime in gomma utilizzate per queste fibre guaina-anima sono economiche e prontamente disponibili, " ha detto. "L'unico componente esotico è il foglio di aerogel di nanotubi di carbonio utilizzato per la guaina della fibra".

L'anno scorso, UT Dallas ha concesso in licenza a Lintec of America un processo sviluppato dal team di Baughman per trasformare i nanotubi di carbonio in strutture su larga scala, come fogli. Lintec ha aperto il suo Nano-Science &Technology Center a Richardson, Texas, a meno di 5 miglia dal campus UT Dallas, per produrre fogli di aerogel di nanotubi di carbonio per diverse applicazioni.