Riflettendo la struttura dei compositi presenti in natura e nel mondo antico, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sintetizzato sottili tessuti di nanotubi di carbonio (CNT) che presentano sia un'elevata conduttività elettrica che un livello di tenacità circa cinquanta volte superiore rispetto ai film di rame, attualmente utilizzato in elettronica.

"La robustezza strutturale dei film metallici sottili ha un'importanza significativa per il funzionamento affidabile della pelle intelligente e dell'elettronica flessibile, compresi i sensori di monitoraggio della salute biologica e strutturale, " ha spiegato Sameh Tawfick, un assistente professore di scienze meccaniche e ingegneria all'Illinois. "I fogli di nanotubi di carbonio allineati sono adatti per un'ampia gamma di applicazioni che vanno dalla micro alla macro scala, compresi i sistemi microelettromeccanici (MEMS), elettrodi del supercondensatore, cavi elettrici, muscoli artificiali, e compositi multifunzionali.

"Per quello che ci risulta, questo è il primo studio ad applicare i principi della meccanica della frattura per progettare e studiare la tenacità dei tessuti CNT nano-architettati. Il quadro teorico della meccanica della frattura si è dimostrato molto robusto per una varietà di materiali lineari e non lineari".

Nanotubi di carbonio, che esistono dai primi anni novanta, sono stati acclamati come un "materiale meraviglioso" per numerose applicazioni di nanotecnologia, e giustamente. Queste minuscole strutture cilindriche realizzate con fogli di grafene avvolti hanno un diametro di pochi nanometri, circa 1000 volte più sottili di un capello umano, ancora, un singolo nanotubo di carbonio è più forte dell'acciaio e delle fibre di carbonio, più conduttivo del rame, e più leggero dell'alluminio.

Però, si è rivelato davvero difficile costruire materiali, come tessuti o pellicole che dimostrano queste proprietà su scale centimetriche o metriche. La sfida nasce dalla difficoltà di assemblare e tessere i CNT poiché sono così piccoli, e la loro geometria è molto difficile da controllare.

"Lo studio dell'energia di frattura dei tessuti CNT ci ha portato a progettare questi film estremamente resistenti, " ha dichiarato Yue Liang, un ex studente laureato con il gruppo di ricerca sui materiali cinetici e autore principale dell'articolo, "Tessuto conduttivo nano-architettonico resistente realizzato mediante giunzione capillare di nanotubi di carbonio, " che appare in Materiali di ingegneria avanzata . Per quello che ci risulta, questo è il primo studio dell'energia di frattura dei tessuti CNT.

A partire dal catalizzatore depositato su un substrato di ossido di silicio, i nanotubi di carbonio allineati verticalmente sono stati sintetizzati tramite deposizione chimica da vapore sotto forma di linee parallele di 5?μm di larghezza, 10?μm di lunghezza, e altezze di 20-60?μm.

"Il motivo del catalizzatore sfalsato si ispira al motivo del design in mattoni e malta comunemente visto in materiali naturali resistenti come l'osso, madreperla, la spugna di mare di vetro, e bambù, " Ha aggiunto Liang. " Alla ricerca di modi per pinzare insieme i CNT, ci siamo ispirati al processo di giunzione sviluppato dagli antichi egizi 5, 000 anni fa per realizzare tessuti di lino. Abbiamo provato diversi approcci meccanici tra cui micro-laminazione e semplice compressione meccanica per riorientare simultaneamente i nanotubi, poi, finalmente, abbiamo usato le forze capillari auto-guidate per fissare insieme i CNT".

"Questo lavoro unisce un'attenta sintesi, e delicata sperimentazione e modellazione, " Tawfick ha detto. "L'elettronica flessibile è soggetta a ripetute piegature e stiramenti, che potrebbero causare il loro guasto meccanico. Questo nuovo tessuto CNT, con semplice incapsulamento flessibile in una matrice elastomerica, può essere utilizzato in tessuti intelligenti, pelli intelligenti, e una varietà di elettronica flessibile. Grazie alla loro altissima tenacità, rappresentano un materiale attraente, che può sostituire le pellicole metalliche sottili per migliorare l'affidabilità del dispositivo."

Oltre a Liang e Tawfick, i coautori includono David Sias e Ping Ju Chen.