Carbon nanorørfibre overgår kobber

(Phys.org) – På et pund-per-pund-basis, kulstof nanorør-baserede fibre opfundet ved Rice University har større kapacitet til at føre elektrisk strøm end kobberkabler af samme masse, ifølge ny forskning.

Mens individuelle nanorør er i stand til at transmittere næsten 1, 000 gange mere strøm end kobber, de samme rør, der er smeltet sammen til en fiber ved hjælp af andre teknologier, fejler længe før de når den kapacitet.

Men en række tests hos Rice viste, at den vådspundne kulfiber nanorør stadig slog kobber, bærer op til fire gange så meget strøm som en kobbertråd af samme masse.

At, sagde forskerne, gør nanorør-baserede kabler til en ideel platform til letvægts kraftoverførsel i systemer, hvor vægt er en væsentlig faktor, som rumfartsapplikationer.

Analysen ledet af risprofessorerne Junichiro Kono og Matteo Pasquali dukkede op online i denne uge i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . For bare et år siden bladet Videnskab rapporterede, at Pasqualis laboratorium, i samarbejde med forskere ved det hollandske firma Teijin Aramid, skabt en meget stærk ledende fiber ud af kulstof nanorør.

Nutidens transmissionskabler lavet af kobber eller aluminium er tunge, fordi deres lave trækstyrke kræver stålkerneforstærkning.

Forskere, der arbejder med materialer i nanoskala, har længe troet, at der er en bedre måde at flytte elektricitet herfra til der. Visse typer kulstof nanorør kan bære langt mere elektricitet end kobber. Det ideelle kabel ville være lavet af lange metalliske "lænestole" nanorør, der ville transmittere strøm over store afstande med ubetydeligt tab, men sådan et kabel er ikke muligt, fordi det endnu ikke er muligt at fremstille rene lænestole i løs vægt, sagde Pasquali.

I mellemtiden, Pasquali-laboratoriet har skabt en metode til at spinde fiber fra en blanding af nanorørtyper, der stadig klarer sig bedre end kobber. Kablet udviklet af Pasquali og Teijin Aramid er stærkt og fleksibelt, selvom det er 20 mikron bredt, det er tyndere end et menneskehår.

Pasquali henvendte sig til Kono og hans kolleger, herunder hovedforfatter Xuan Wang, en postdoc forsker ved Rice, at kvantificere fiberens evner.

Pasquali sagde, at der har været en afbrydelse mellem elektriske ingeniører, der studerer den nuværende bæreevne af ledere og materialeforskere, der arbejder på kulstof nanorør. "Det har skabt en vis forvirring i litteraturen over de rigtige sammenligninger at foretage, " sagde han. "Jun og Xuan kom virkelig til bunds i, hvordan man gør disse målinger godt og sammenligner æbler med æbler."

Forskerne analyserede fiberens "nuværende bæreevne" (CCC), eller kapacitet, med en brugerdefineret rig, der tillod dem at teste den sammen med metalkabler med samme diameter. Kablerne blev testet, mens de var ophængt i det fri, i et vakuum og i nitrogen- eller argonmiljøer.

Elektriske kabler bliver varme på grund af modstand. Når den aktuelle belastning overstiger kablets sikre kapacitet, de bliver for varme og går i stykker. Forskerne fandt, at nanorørfibre udsat for nitrogen fungerede bedst, efterfulgt af argon og friluft, som alle var i stand til at afkøle gennem konvektion. De samme nanorørfibre i et vakuum kunne kun afkøles ved stråling og havde den laveste CCC.

"Resultatet er, at disse fibre har den højeste CCC, der nogensinde er rapporteret for nogen kulstofbaserede fibre, " sagde Kono. "Kobber har stadig bedre resistivitet med en størrelsesorden, men vi har den fordel, at kulfiber er let. Så hvis du dividerer CCC med massen, vi vinder."

Kono planlægger at undersøge og udforske fiberens multifunktionelle aspekter yderligere, herunder fleksible optoelektroniske enhedsapplikationer.

Pasquali foreslog, at de trådlignende fibre er lette nok til at levere strøm til luftfartøjer. "Antag, at du vil drive et ubemandet luftfartøj fra jorden, " tænkte han. "Du kunne gøre det som en drage, med strøm leveret af vores fibre. Jeg ville ønske, at Ben Franklin var her for at se det!"