Le impurità di ferro sono facili da vedere in un fascio di nanotubi di carbonio visti attraverso un microscopio elettronico a trasmissione. I ricercatori della Rice University e della National University of Singapore stanno guidando l'incarico di purificare i nanotubi per l'uso in continuo, fibre di nanotubi di carbonio resistenti e conduttive. Credito:Flussi complessi di fluidi complessi/Rice University
Per rendere continuo, fibre di nanotubi di carbonio resistenti e conduttive, è meglio iniziare con lunghi nanotubi, secondo gli scienziati della Rice University.
Il Laboratorio Riso del chimico e ingegnere chimico Matteo Pasquali, che ha dimostrato il suo metodo pionieristico per trasformare nanotubi di carbonio in fibre nel 2013, ha fatto progredire l'arte di realizzare materiali a base di nanotubi con due nuovi articoli dell'American Chemical Society's Materiali e interfacce applicati ACS .
Il primo documento ha caratterizzato 19 lotti di nanotubi prodotti da altrettanti produttori per determinare quali caratteristiche dei nanotubi producono le fibre più conduttive e più resistenti per l'uso nel settore aerospaziale su larga scala, elettronica di consumo e applicazioni tessili.
I ricercatori hanno determinato che il rapporto di aspetto dei nanotubi - lunghezza rispetto alla larghezza - è un fattore critico, così come la purezza complessiva del lotto. Hanno trovato i diametri dei tubi, il numero di pareti e la qualità cristallina non sono così importanti per le proprietà del prodotto.
Pasquali ha affermato che mentre si sapeva che le proporzioni dei nanotubi influenzavano le proprietà delle fibre, questo è il primo lavoro sistematico per stabilire la relazione tra un'ampia gamma di campioni di nanotubi. I ricercatori hanno scoperto che i nanotubi più lunghi potrebbero essere elaborati così come quelli più corti, e che la resistenza meccanica e la conduttività elettrica aumentavano di pari passo.
Le migliori fibre avevano una resistenza alla trazione media di 2,4 gigapascal (GPa) e una conduttività elettrica di 8,5 megasiemens per metro, circa il 15% della conduttività del rame. L'aumento della lunghezza dei nanotubi durante la sintesi fornirà un percorso verso ulteriori miglioramenti delle proprietà, ha detto Pasquali.
Il secondo documento si è concentrato sulla purificazione delle fibre prodotte con il metodo del catalizzatore galleggiante per l'uso in film e aerogel. Questo processo è veloce, efficiente ed economico su media scala e può produrre la filatura diretta di fibre di nanotubi di alta qualità; però, lascia delle impurità, comprese particelle di catalizzatore metallico e frammenti di carbonio residuo, consente un minor controllo della struttura delle fibre e limita le opportunità di scalabilità, ha detto Pasquali.
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione di nanotubi di carbonio purificati. I ricercatori della Rice University e della National University of Singapore stanno sviluppando un processo per rimuovere le impurità da lotti di lunghi nanotubi per farli girare in continuo, fibre conduttive. Credito:Flussi complessi di fluidi complessi/Rice University
"Ecco dove convergono questi due giornali, " ha detto. "Ci sono fondamentalmente due modi per produrre fibre di nanotubi. In uno, fai i nanotubi e poi li giri in fibre, che è ciò che abbiamo sviluppato alla Rice. Nell'altro, sviluppato presso l'Università di Cambridge, si fanno nanotubi in un reattore e si regola il reattore in modo tale che, alla fine, puoi estrarre i nanotubi direttamente come fibre.
"È chiaro che le fibre a filatura diretta includono nanotubi più lunghi, quindi c'è interesse a includere i tubi in quelle fibre come fonte di materiale per il nostro metodo di filatura, "Ha detto Pasquali. "Questo lavoro è un primo passo verso quell'obiettivo".
Il processo del reattore sviluppato dieci anni fa dallo scienziato dei materiali Alan Windle presso l'Università di Cambridge produce i necessari lunghi nanotubi e fibre in un unico passaggio, ma le fibre devono essere purificate, ha detto Pasquali. I ricercatori della Rice e della National University of Singapore (NUS) hanno sviluppato un semplice metodo ossidativo per pulire le fibre e renderle utilizzabili per una gamma più ampia di applicazioni.
I laboratori hanno purificato i campioni di fibra in un forno, prima bruciando le impurità di carbonio nell'aria a 500 gradi Celsius (932 gradi Fahrenheit) e poi immergendole in acido cloridrico per dissolvere le impurità del catalizzatore di ferro.
Le impurità nelle fibre risultanti sono state ridotte al 5% del materiale, che li rendeva solubili negli acidi. I ricercatori hanno quindi utilizzato la soluzione di nanotubi per rendere conduttivo, film sottili trasparenti.
"C'è un grande potenziale per queste tecniche disparate da combinare per produrre fibre superiori e la tecnologia scalata per l'uso industriale, " ha detto il co-autore Hai Minh Duong, un assistente professore NUS di ingegneria meccanica. "Il metodo del catalizzatore galleggiante può produrre abbastanza rapidamente vari tipi di nanotubi con un buon controllo della morfologia. I filamenti di nanotubi possono essere raccolti direttamente dal loro aerogel formato nel reattore. Questi filamenti di nanotubi possono quindi essere purificati e intrecciati in fibre utilizzando la tecnica di bagnatura sviluppata da il gruppo Pasquali».
Pasquali ha notato che la collaborazione tra Rice e Singapore rappresenta una convergenza di un altro tipo. "Questa potrebbe essere la prima volta che qualcuno della linea di filatura di fibre di Cambridge (Duong era un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Windle) e la linea di filatura di fibre di riso si sono unite, " ha detto. "Stiamo lavorando insieme per provare i materiali realizzati nel processo di Cambridge e adattarli al processo Rice".
