Gli ingegneri dell'Università di Cincinnati stanno sfruttando una partnership con la Wright-Patterson Air Force Base per creare abbigliamento in grado di caricare il tuo cellulare.

Spostati, Uomo di ferro.

Ciò che rende questo possibile sono le proprietà uniche dei nanotubi di carbonio:un'ampia superficie che è forte, conduttivo e resistente al calore.

Il College of Engineering and Applied Science della UC ha un accordo quinquennale con l'Air Force Research Laboratory per condurre ricerche in grado di migliorare le applicazioni della tecnologia militare.

Il professore di UC Vesselin Shanov co-dirige i Nanoworld Laboratories di UC con il partner di ricerca e professore di UC Mark Schulz. Insieme, sfruttano la loro esperienza in campo elettrico, ingegneria chimica e meccanica per creare materiali "intelligenti" in grado di alimentare l'elettronica.

"La sfida principale è tradurre queste bellissime proprietà per sfruttare la loro forza, conducibilità e resistenza al calore, " ha detto Shanov.

Schulz ha affermato che la produzione è al culmine di una rinascita del carbonio. I nanotubi di carbonio sostituiranno il filo di rame nelle automobili e negli aerei per ridurre il peso e migliorare l'efficienza del carburante. Il carbonio filtrerà la nostra acqua e ci dirà di più sulla nostra vita e sul nostro corpo attraverso nuovi sensori biometrici.

Il carbonio sostituirà il poliestere e altre fibre sintetiche. E poiché i nanotubi di carbonio sono gli oggetti più neri trovati sulla Terra, assorbendo il 99,9 percento di tutta la luce visibile, si potrebbe dire che il carbonio è il nuovo nero.

"Nel passato, i metalli dominavano i prodotti manifatturieri, " Schulz ha detto. "Ma penso che il carbonio sostituirà i metalli in molte applicazioni.

"Ci sarà una nuova era del carbonio, una rivoluzione del carbonio, " ha detto Schulz.

Il Nanoworld Lab di UC dirige il lavoro collettivo di 30 studenti laureati e universitari.

Uno di loro, Sathya Narayan Kanakaraj, ricercatore associato alla UC, è coautore di uno studio che esamina i modi per migliorare la resistenza alla trazione della fibra di nanotubi di carbonio filata a secco. I suoi risultati sono stati pubblicati a giugno sulla rivista Successo nella ricerca sui materiali .

Lo studente laureato Mark Haase, ha trascorso l'ultimo anno esplorando le applicazioni per i nanotubi di carbonio presso l'Air Force Research Lab di Wright-Patterson. Attraverso la partnership, Gli studenti UC utilizzano le sofisticate apparecchiature dell'Air Force Lab, compresa la tomografia computerizzata a raggi X, per analizzare i campioni. Haase ha utilizzato l'attrezzatura dell'Air Force anche per aiutare i suoi compagni di classe con i loro progetti.

"Questo ci spinge a lavorare in gruppo e a specializzarci. Sono le stesse dinamiche che vediamo nella ricerca aziendale e nell'industria, " Haase ha detto. "L'ingegneria è un'attività di gruppo in questi giorni, quindi possiamo trarne vantaggio".

I ricercatori della UC "coltivano" nanotubi su wafer di silicio di dimensioni pari a un quarto sotto calore in una camera a vuoto attraverso un processo chiamato deposizione chimica da vapore.

"Ogni particella ha un punto di nucleazione. Colloquialmente, possiamo chiamarlo seme, " Ha detto Haase.

"Il nostro gas contenente carbonio viene introdotto nel reattore. Quando il gas di carbonio interagisce con il nostro 'seme, ' si scompone e si riforma in superficie. Lo lasciamo crescere fino a raggiungere la dimensione che vogliamo, " Egli ha detto.

I ricercatori possono utilizzare quasi tutti i tipi di carbonio, dall'alcool al metano.

"Ricordo che un gruppo si è messo in mostra usando i biscotti delle Girl Scout. Se contengono carbonio, puoi trasformarlo in un nanotubo, " Ha detto Haase.

Il Nanoworld Lab di UC ha stabilito un record mondiale nel 2007 coltivando un nanotubo che si estendeva per quasi 2 centimetri, la più lunga serie di nanotubi di carbonio prodotta in un laboratorio all'epoca. I laboratori di oggi possono creare nanotubi che sono molte volte più lunghi.

I ricercatori UC allungano il quadratino fibroso su una bobina industriale in laboratorio. Ad un tratto, questo minuscolo foglio di carbonio diventa un filo filato che ricorda la seta di ragno che può essere tessuta in tessuti.

"È esattamente come un tessuto, " ha detto Shanov. "Possiamo assemblarli come un filo di macchina e usarli in applicazioni che vanno dai sensori per tracciare i metalli pesanti nell'acqua o nei dispositivi di accumulo di energia, compresi supercondensatori e batterie."

Per i militari, questo potrebbe significare sostituire le pesanti batterie che caricano il crescente numero di componenti elettronici che compongono l'equipaggiamento di un soldato:luci, apparecchiature per la visione notturna e le comunicazioni.

"Fino a un terzo del peso che trasportano sono solo batterie per alimentare tutte le loro apparecchiature, " Haase ha detto. "Quindi, anche se possiamo radere un po' di dosso, è un grande vantaggio per loro in campo".

I ricercatori medici stanno studiando come i nanotubi di carbonio possono aiutare a fornire dosi mirate di medicinali.

"All'esterno, puoi aggiungere una molecola proteica. Le cellule lo leggeranno e diranno, "Lo voglio mangiare." Quindi possiamo fornire medicine per supportare le cellule sane, per ripristinare le cellule malate o anche per uccidere le cellule cancerose, " Ha detto Haase.

Ma prima i ricercatori vogliono assicurarsi che i nanotubi di carbonio non siano tossici.

"Ecco perché si sono mossi lentamente, " Haase ha detto. "La ricerca ha scoperto che in caso di esposizione elevata o acuta, i nanotubi di carbonio possono causare danni ai polmoni simili all'amianto. L'ultima cosa che vogliamo fare è curare un cancro solo per scoprire che te ne dà uno diverso".

I risultati preliminari sono stati promettenti.

Non cercare la moda dei nanotubi di carbonio sulle passerelle parigine in qualunque momento presto. I costi sono troppo proibitivi.

"Stiamo lavorando con clienti che si preoccupano più delle prestazioni che dei costi. Ma una volta che abbiamo perfezionato la sintesi, la scala aumenta considerevolmente e i costi dovrebbero diminuire di conseguenza, " Haase ha detto. "Allora vedremo i nanotubi di carbonio diffusi a molti, molte altre applicazioni."

Per adesso, Il laboratorio di UC può produrre circa 50 metri di filo di nanotubi di carbonio alla volta per la sua ricerca.

"La maggior parte delle macchine tessili di grandi dimensioni ha bisogno di chilometri di filo, " Haase ha detto. "Ci arriveremo."

Fino ad allora, la produzione di massa rimane uno dei maggiori problemi irrisolti per la tecnologia dei nanotubi di carbonio, disse Benji Maruyama, che guida la direzione dei materiali e della produzione presso il laboratorio di ricerca dell'aeronautica. "C'è ancora molto lavoro da fare per aumentare il processo. Estrarre una fibra di nanotubi di carbonio da un disco di silicio è utile per la ricerca su scala di laboratorio, ma non per realizzare un'ala di aeroplano o una tuta di volo, " ha detto Maruyama.

"L'unica cosa che ci trattiene è decifrare il codice sulla produzione di nanotubi di carbonio su larga scala, " Egli ha detto.

Maruyama sta cercando di risolvere il problema con una serie di esperimenti che sta conducendo utilizzando un robot di ricerca autonomo chiamato ARES. Il robot progetta e conduce esperimenti con nanotubi di carbonio, analizza i risultati e quindi utilizza quei dati e l'intelligenza artificiale per ridefinire i parametri per il prossimo esperimento. In questo modo, può condurre 100 volte più esperimenti nello stesso tempo dei ricercatori umani, Egli ha detto.

"Il grande vantaggio dei nanotubi di carbonio è che non mancano i materiali. Richiede solo un catalizzatore metallico - usiamo ferro e nichel - e carbonio. Non è scarso, " Ha detto Maruyama. "Quindi, quando parliamo di produrre milioni di tonnellate all'anno di nanotubi di carbonio, non stiamo facendo milioni di tonnellate di qualcosa di raro."

L'obiettivo finale è convertire la ricerca accademica di UC in soluzioni a problemi reali, disse Shanov.

"Abbiamo il lusso nel mondo accademico di esplorare diverse applicazioni, " Ha detto Shanov. "Non tutti possono vedere il mercato. Ma anche se il 10 percento colpisse, sarebbe un grande successo".