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Jun 03, 2023

Las nuevas fibras de nanotubos tienen una combinación inigualable de fuerza, conductividad y flexibilidad (con video)

10 de enero de 2013 por

10 de enero de 2013

por la Universidad de Rice

(Phys.org)—El último avance en nanotecnología de la Universidad de Rice tomó más de 10 años en desarrollo, pero aun así fue un shock. Científicos de Rice, la firma holandesa Teijin Aramid, la Fuerza Aérea de EE. UU. y el Instituto Technion de Israel revelaron esta semana una nueva fibra de nanotubos de carbono (CNT) que se ve y actúa como un hilo textil y conduce la electricidad y el calor como un alambre de metal. En la edición de esta semana de Science, los investigadores describen un proceso escalable industrialmente para fabricar fibras filiformes, que superan en varias formas a los materiales de alto rendimiento disponibles en el mercado.

"Finalmente tenemos una fibra de nanotubos con propiedades que no existen en ningún otro material", dijo el investigador principal Matteo Pasquali, profesor de ingeniería química y biomolecular y química en Rice. "Parece hilo de algodón negro, pero se comporta tanto como alambres metálicos como fuertes fibras de carbono".

El equipo de investigación incluye científicos académicos, gubernamentales e industriales de Rice; la sede de Teijin Aramid en Arnhem, Países Bajos; el Instituto de Tecnología Technion-Israel en Haifa, Israel; y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) en Dayton, Ohio.

"Las nuevas fibras CNT tienen una conductividad térmica que se acerca a la de las mejores fibras de grafito, pero con una conductividad eléctrica 10 veces mayor", dijo el coautor del estudio, Marcin Otto, gerente de desarrollo comercial de Teijin Aramid. "Las fibras de grafito también son frágiles, mientras que las nuevas fibras CNT son tan flexibles y resistentes como un hilo textil. Esperamos que esta combinación de propiedades conduzca a nuevos productos con capacidades únicas para los mercados aeroespacial, automotriz, médico y de ropa inteligente".

Las propiedades fenomenales de los nanotubos de carbono han cautivado a los científicos desde el momento de su descubrimiento en 1991. Los tubos huecos de carbono puro, que son casi tan anchos como una hebra de ADN, son unas 100 veces más fuertes que el acero con un sexto del peso. Las propiedades conductoras de los nanotubos, tanto para la electricidad como para el calor, compiten con los mejores conductores metálicos. También pueden servir como semiconductores activados por luz, dispositivos de administración de fármacos e incluso esponjas para absorber aceite.

Desafortunadamente, los nanotubos de carbono también son la prima donna de los nanomateriales; es difícil trabajar con ellos, a pesar de su exquisito potencial. Para empezar, encontrar los medios para producir grandes cantidades de nanotubos llevó casi una década. Los científicos también aprendieron pronto que había varias docenas de tipos de nanotubos, cada uno con materiales y propiedades eléctricas únicas; y los ingenieros aún tienen que encontrar la manera de producir un solo tipo. En cambio, todos los métodos de producción producen una mezcolanza de tipos, a menudo en grupos similares a bolas de pelo.

Crear objetos a gran escala a partir de estos grupos de nanotubos ha sido un desafío. Una fibra similar a un hilo que tiene menos de un cuarto del grosor de un cabello humano contendrá decenas de millones de nanotubos empaquetados uno al lado del otro. Idealmente, estos nanotubos estarán perfectamente alineados, como lápices en una caja, y bien empaquetados. Algunos laboratorios han explorado formas de hacer crecer tales fibras enteras, pero las tasas de producción de estas fibras de "estado sólido" han demostrado ser bastante lentas en comparación con los métodos de producción de fibras que se basan en un proceso químico llamado "hilado en húmedo". En este proceso, grupos de nanotubos crudos se disuelven en un líquido y se inyectan a través de pequeños agujeros para formar largas hebras.

Poco después de llegar a Rice en 2000, Pasquali comenzó a estudiar métodos de hilado en húmedo de CNT con el difunto Richard Smalley, un pionero de la nanotecnología y homónimo del Instituto Smalley de Ciencia y Tecnología a Nanoescala de Rice. En 2003, dos años antes de su prematura muerte, Smalley trabajó con Pasquali y sus colegas para crear las primeras fibras puras de nanotubos. El trabajo estableció un proceso de hilado en húmedo industrialmente relevante para nanotubos que era análogo a los métodos utilizados para crear fibras de aramida de alto rendimiento, como el Twaron de Teijin, que se utilizan en chalecos antibalas y otros productos. Pero el proceso necesitaba ser refinado. Las fibras no eran muy fuertes ni conductoras, debido en parte a los espacios y la desalineación de los millones de nanotubos en su interior.

"Lograr un empaquetamiento y una alineación muy altos de los nanotubos de carbono en las fibras es fundamental", dijo el coautor del estudio Yeshayahu Talmon, director del Instituto de Nanotecnología Russell Berrie de Technion, quien comenzó a colaborar con Pasquali hace unos cinco años.

El siguiente gran avance se produjo en 2009, cuando Talmon, Pasquali y sus colegas descubrieron el primer disolvente verdadero para nanotubos: el ácido clorosulfónico. Por primera vez, los científicos encontraron una manera de crear soluciones altamente concentradas de nanotubos, un desarrollo que condujo a una mejor alineación y empaque.

"Hasta ese momento, nadie pensó que fuera posible girar a partir del ácido clorosulfónico porque reacciona con el agua", dijo Pasquali. "Un estudiante de posgrado en mi laboratorio, Natnael Bahabtu, encontró formas simples de demostrar que las fibras CNT se podían hilar a partir de soluciones de ácido clorosulfónico. Eso fue fundamental para este nuevo proceso".

Pasquali dijo que otros laboratorios habían descubierto que la fuerza y ​​la conductividad de las fibras hiladas también podrían mejorarse si el material de partida, los grupos de nanotubos en bruto, contenían nanotubos largos con pocos defectos atómicos. En 2010, Pasquali y Talmon comenzaron a experimentar con nanotubos de diferentes proveedores y trabajaron con científicos de AFRL para medir las propiedades eléctricas y térmicas precisas de las fibras mejoradas.

Durante el mismo período, Otto estaba evaluando métodos que diferentes centros de investigación habían propuesto para fabricar fibras CNT. Previó combinar los descubrimientos de Pasquali, los conocimientos técnicos de Teijin Aramid y el uso de CNT largos para promover el desarrollo de fibras CNT de alto rendimiento. En 2010, Teijin Aramid estableció y financió un proyecto con Rice, y los expertos en hilado de fibras de la empresa colaboraron con los científicos de Rice durante todo el proyecto.

"La ayuda científica y técnica de Teijin condujo a mejoras inmediatas en la fuerza y ​​la conductividad", dijo Pasquali.

El coautor del estudio, Junichiro Kono, profesor de ingeniería eléctrica e informática de Rice, dijo: "La investigación mostró que la conductividad eléctrica de las fibras se podía ajustar y optimizar con técnicas que se aplicaron después de la producción inicial. Esto condujo a la conductividad más alta jamás vista". reportado para una fibra CNT macroscópica".

Las fibras reportadas en Science tienen aproximadamente 10 veces la resistencia a la tracción y la conductividad eléctrica y térmica de las mejores fibras CNT hiladas en húmedo reportadas anteriormente, dijo Pasquali. La conductividad eléctrica específica de las nuevas fibras está a la par con los alambres de cobre, oro y aluminio, pero el nuevo material tiene ventajas sobre los alambres metálicos.

Por ejemplo, una aplicación en la que la alta resistencia y la conductividad eléctrica podrían resultar útiles serían las aplicaciones de datos y de baja potencia, dijo Pasquali.

"Los alambres de metal se romperán en los rodillos y otras máquinas de producción si son demasiado delgados", dijo. "En muchos casos, las personas usan cables de metal que son mucho más gruesos de lo necesario para las necesidades eléctricas, simplemente porque no es factible producir un cable más delgado. Los cables de datos son un ejemplo particularmente bueno de esto".

Más información: "Fibras fuertes, ligeras y multifuncionales de nanotubos de carbono con conductividad ultraalta", por N. Behabtu et al. Ciencia, 2013.

Información del diario:Ciencia

Proporcionado por la Universidad de Rice