Nye nanorørfibre har en uovertruffen kombination af styrke, ledningsevne, fleksibilitet (m/ video)

(Phys.org) —Rice Universitys seneste nanoteknologi -gennembrud var mere end 10 år undervejs, men det kom alligevel med et chok. Forskere fra ris, det hollandske firma Teijin Aramid, det amerikanske luftvåben og Israels Technion Institute afslørede i denne uge en ny fiber af kulstof -nanorør (CNT), der ligner og fungerer som tekstiltråd og leder elektricitet og varme som en metaltråd. I denne uges udgave af Videnskab , forskerne beskriver en industrielt skalerbar proces til fremstilling af de trådlignende fibre, som udkonkurrerer kommercielt tilgængelige højtydende materialer på en række måder.

"Vi har endelig en nanorørfiber med egenskaber, der ikke findes i noget andet materiale, "sagde hovedforsker Matteo Pasquali, professor i kemisk og biomolekylær teknik og kemi ved Rice. "Det ligner sort bomuldstråd, men opfører sig som både metaltråde og stærke kulfiber."

Forskerteamet omfatter akademiske, regerings- og industriforskere fra Rice; Teijin Aramids hovedkvarter i Arnhem, Holland; Technion-Israel Institute of Technology i Haifa, Israel; og Air Force Research Laboratory (AFRL) i Dayton, Ohio.

"De nye CNT -fibre har en varmeledningsevne, der nærmer sig den for de bedste grafitfibre, men med 10 gange større elektrisk ledningsevne, "sagde studieforfatter Marcin Otto, forretningsudviklingschef hos Teijin Aramid. "Grafitfibre er også sprøde, mens de nye CNT -fibre er lige så fleksible og seje som en tekstiltråd. Vi forventer, at denne kombination af ejendomme vil føre til nye produkter med unikke muligheder for rumfart, bil, markeder for medicinsk og smart tøj. "

De fænomenale egenskaber ved kulnanorør har fascineret forskere fra det øjeblik de blev opdaget i 1991. De hule rør af rent kulstof, som er næsten lige så brede som en DNA -streng, er omkring 100 gange stærkere end stål til en sjettedel af vægten. Nanorøres ledende egenskaber - for både elektricitet og varme - konkurrerer med de bedste metalledere. De kan også fungere som lysaktiverede halvledere, narkotikaudleveringsenheder og endda svampe til opsugning af olie.

Desværre, carbon nanorør er også prima donna af nanomaterialer; de er svære at arbejde med, trods deres udsøgte potentiale. Til at begynde med, at finde midlerne til at producere store mængder nanorør tog næsten et årti. Forskere lærte også tidligt, at der var flere dusin typer nanorør - hver med unikt materiale og elektriske egenskaber; og ingeniører mangler endnu at finde en måde at producere kun én type. I stedet, alle produktionsmetoder giver en masse forskellige typer, ofte i hårboldlignende klumper.

Oprettelse af store objekter fra disse klumper af nanorør har været en udfordring. En trådlignende fiber, der er mindre end en fjerdedel af tykkelsen af ​​et menneskehår, vil indeholde titusinder af millioner nanorør pakket side om side. Ideelt set, disse nanorør vil være perfekt justeret - som blyanter i en æske - og tæt pakket. Nogle laboratorier har undersøgt midler til at dyrke sådanne fibre hele, men produktionshastighederne for disse "faststof" -fibre har vist sig ganske langsomme sammenlignet med fiberproduktionsmetoder, der er afhængige af en kemisk proces kaldet "vådspinding". I denne proces, klumper af rå nanorør opløses i en væske og sprøjtes gennem små huller for at danne lange tråde.

Kort efter ankomsten til Rice i 2000, Pasquali begyndte at studere CNT-metoder til vådspinding med afdøde Richard Smalley, en pioner i nanoteknologi og navnebror til Rices Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. I 2003, to år før hans utidige død, Smalley arbejdede sammen med Pasquali og kolleger for at skabe de første rene nanorørfibre. Arbejdet etablerede en industrielt relevant vådspindende proces for nanorør, der var analog med de metoder, der blev brugt til at skabe højtydende aramidfibre-som Teijin's Twaron-som bruges i skudsikre veste og andre produkter. Men processen skulle finpudses. Fibrene var ikke særlig stærke eller ledende, delvis på grund af huller og forkert justering af de millioner af nanorør inde i dem.

"Det er afgørende at opnå meget høj pakning og justering af carbon nanorørene i fibrene, "sagde studieforfatter Yeshayahu Talmon, direktør for Technions Russell Berrie Nanotechnology Institute, der begyndte at samarbejde med Pasquali for omkring fem år siden.

Det næste store gennembrud kom i 2009, når Talmon, Pasquali og kolleger opdagede det første sande opløsningsmiddel til nanorør - chlorsulfonsyre. For første gang, forskere havde en måde at skabe stærkt koncentrerede løsninger af nanorør, en udvikling, der førte til forbedret justering og pakning.

"Indtil den tid, ingen troede, at udspinding af chlorsulfonsyre var mulig, fordi den reagerer med vand, "Sagde Pasquali." En kandidatstuderende i mit laboratorium, Natnael Bahabtu, fundet enkle måder at vise, at CNT -fibre kunne spindes fra chlorosulfonsyreopløsninger. Det var afgørende for denne nye proces. "

Pasquali sagde, at andre laboratorier havde fundet ud af, at spundne fibres styrke og ledningsevne også kunne forbedres, hvis udgangsmaterialet - klumperne af rå nanorør - indeholdt lange nanorør med få atomfejl. I 2010, Pasquali og Talmon begyndte at eksperimentere med nanorør fra forskellige leverandører og arbejdede sammen med AFRL -forskere for at måle de præcise elektriske og termiske egenskaber for de forbedrede fibre.

During the same period, Otto was evaluating methods that different research centers had proposed for making CNT fibers. He envisaged combining Pasquali's discoveries, Teijin Aramid's know-how and the use of long CNTs to further the development of high performance CNT fibers. I 2010, Teijin Aramid set up and funded a project with Rice, and the company's fiber-spinning experts have collaborated with Rice scientists throughout the project.

"The Teijin scientific and technical help led to immediate improvements in strength and conductivity, " Pasquali said.

Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, sagde, "The research showed that the electrical conductivity of the fibers could be tuned and optimized with techniques that were applied after initial production. This led to the highest conductivity ever reported for a macroscopic CNT fiber."

The fibers reported in Videnskab have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, Sagde Pasquali. The specific electrical conductivity of the new fibers is on par with copper, gold and aluminum wires, but the new material has advantages over metal wires.

For eksempel, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, Sagde Pasquali.

"Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, "sagde han." I mange tilfælde, people use metal wires that are far more thick than required for the electrical needs, simply because it's not feasible to produce a thinner wire. Data cables are a particularly good example of this."