Le fibre di nanotubi di carbonio prodotte alla Rice University sono ora più resistenti del Kevlar e stanno aumentando la conduttività del rame.

Il Laboratorio Riso dell'ingegnere chimico e biomolecolare Matteo Pasquali riportato in Carbonio ha ancora sviluppato le sue fibre più resistenti e conduttive, costituito da lunghi nanotubi di carbonio attraverso un processo di filatura a umido.

Nel nuovo studio condotto dagli studenti laureati della Rice Lauren Taylor e Oliver Dewey, i ricercatori hanno notato che le fibre di nanotubi di carbonio filate a umido, che potrebbe portare a scoperte in una serie di applicazioni mediche e dei materiali, sono raddoppiati in forza e conduttività ogni tre anni, una tendenza che abbraccia quasi due decenni.

Anche se questo potrebbe non imitare mai la legge di Moore, che ha fissato un punto di riferimento per i progressi dei chip per computer per decenni, Pasquali e il suo team stanno facendo la loro parte per far progredire il metodo di cui sono stati pionieri per produrre fibre di nanotubi di carbonio.

Le fibre filiformi del laboratorio, con decine di milioni di nanotubi in sezione trasversale, sono studiati per essere usati come ponti per riparare i cuori danneggiati, come interfacce elettriche con il cervello, per l'uso in impianti cocleari, come antenne flessibili e per applicazioni automobilistiche e aerospaziali.

Fanno parte anche del Carbon Hub, un'iniziativa di ricerca multiuniversitaria lanciata nel 2019 da Rice con il supporto di Shell, Prysmian e Mitsubishi per creare un futuro a zero emissioni.

"Le fibre di nanotubi di carbonio sono state a lungo propagandate per le loro potenziali proprietà superiori, "Ha detto Pasquali. "Due decenni di ricerca alla Rice e altrove hanno reso questo potenziale una realtà. Ora abbiamo bisogno di uno sforzo mondiale per aumentare l'efficienza produttiva in modo che questi materiali possano essere realizzati con zero emissioni di anidride carbonica e potenzialmente con la produzione simultanea di idrogeno pulito".

"L'obiettivo di questo documento è quello di presentare le proprietà record delle fibre prodotte nel nostro laboratorio, " ha detto Taylor. "Questi miglioramenti significano che ora stiamo superando il Kevlar in termini di forza, che per noi è davvero un grande traguardo. Con solo un altro raddoppio, supereremmo le fibre più resistenti sul mercato."

Le fibre di riso flessibili hanno una resistenza alla trazione di 4,2 gigapascal (GPa), rispetto a 3,6 GPa per le fibre di Kevlar. Le fibre richiedono lunghi nanotubi con elevata cristallinità; questo è, serie regolari di anelli di atomi di carbonio con pochi difetti. La soluzione acida utilizzata nel processo del riso aiuta anche a ridurre le impurità che possono interferire con la resistenza della fibra e migliora le proprietà metalliche dei nanotubi attraverso il drogaggio residuo, ha detto Dewey.

"La lunghezza, o proporzioni, dei nanotubi è la caratteristica distintiva che guida le proprietà delle nostre fibre, " Egli ha detto, notare l'area superficiale dei nanotubi da 12 micrometri utilizzati nella fibra di riso facilita i migliori legami di van der Waals. "Aiuta anche i collaboratori che coltivano i nostri nanotubi a ottimizzare per l'elaborazione della soluzione controllando il numero di impurità metalliche dal catalizzatore e ciò che chiamiamo impurità di carbonio amorfo".

I ricercatori hanno affermato che la conduttività delle fibre è migliorata fino a 10,9 megasiemens (milioni di Siemens) per metro. "Questa è la prima volta che una fibra di nanotubi di carbonio ha superato la soglia dei 10 megasiemens, così abbiamo raggiunto un nuovo ordine di grandezza per le fibre di nanotubi, " Disse Dewey. Normalizzato per peso, ha detto che le fibre di riso raggiungono circa l'80% della conduttività del rame.

"Ma stiamo superando il filo di platino, che è un grande traguardo per noi, "Taylor ha detto, "e la conduttività termica della fibra è migliore di qualsiasi metallo e di qualsiasi fibra sintetica, ad eccezione delle fibre di grafite di pece."

L'obiettivo del laboratorio è rendere la produzione di fibre superiori efficiente e abbastanza economica da essere incorporata dall'industria su larga scala, ha detto Dewey. La lavorazione in soluzione è comune nella produzione di altri tipi di fibre, compreso Kevlar, in modo che le fabbriche potessero utilizzare processi familiari senza grandi riorganizzazioni.

"Il vantaggio del nostro metodo è che è essenzialmente plug-and-play, " Ha detto. "È intrinsecamente scalabile e si adatta al modo in cui le fibre sintetiche sono già realizzate".

"C'è l'idea che i nanotubi di carbonio non saranno mai in grado di ottenere tutte le proprietà che le persone hanno esaltato per decenni, " Taylor ha detto. "Ma stiamo facendo buoni guadagni anno dopo anno. Non è facile, ma crediamo ancora che questa tecnologia cambierà il mondo".

I coautori del documento sono l'alunno di Rice Robert Headrick; studenti laureati Natsumi Komatsu e Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, un assistente professore di ingegneria meccanica; e Junichiro Kono, il professore di ingegneria Karl F. Hasselmann e professore di ingegneria elettrica e informatica, di fisica e astronomia, e della scienza dei materiali e della nanoingegneria. Pasquali è l'A.J. Hartsook Professore di ingegneria chimica e biomolecolare, della chimica e della scienza dei materiali e della nanoingegneria.