Blog

Jul 27, 2023

Le nuove fibre di nanotubi hanno una combinazione ineguagliabile di resistenza, conduttività e flessibilità (con video)

January 10, 2013 by

10 gennaio 2013

dalla Rice University

(Phys.org)—L'ultima svolta nel campo della nanotecnologia della Rice University ha richiesto più di 10 anni di lavoro, ma è stata comunque uno shock. Gli scienziati della Rice, dell'azienda olandese Teijin Aramid, dell'aeronautica americana e del Technion Institute israeliano hanno presentato questa settimana una nuova fibra di nanotubi di carbonio (CNT) che assomiglia e si comporta come un filo tessile e conduce elettricità e calore come un filo metallico. Nel numero di Science di questa settimana, i ricercatori descrivono un processo scalabile a livello industriale per produrre fibre filiformi, che superano in molti modi le prestazioni dei materiali ad alte prestazioni disponibili in commercio.

"Finalmente abbiamo una fibra di nanotubi con proprietà che non esistono in nessun altro materiale", ha affermato il ricercatore capo Matteo Pasquali, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e chimica alla Rice. "Sembra un filo di cotone nero ma si comporta sia come fili metallici che come robuste fibre di carbonio."

Il gruppo di ricerca comprende scienziati accademici, governativi e industriali della Rice; La sede centrale di Teijin Aramid ad Arnhem, Paesi Bassi; il Technion-Israel Institute of Technology di Haifa, Israele; e l'Air Force Research Laboratory (AFRL) a Dayton, Ohio.

"Le nuove fibre CNT hanno una conduttività termica che si avvicina a quella delle migliori fibre di grafite ma con una conduttività elettrica 10 volte maggiore", ha affermato il coautore dello studio Marcin Otto, responsabile dello sviluppo aziendale presso Teijin Aramid. "Le fibre di grafite sono anche fragili, mentre le nuove fibre CNT sono flessibili e resistenti come un filo tessile. Ci aspettiamo che questa combinazione di proprietà porterà a nuovi prodotti con capacità uniche per i mercati aerospaziale, automobilistico, medico e dell'abbigliamento intelligente."

Le proprietà fenomenali dei nanotubi di carbonio hanno affascinato gli scienziati dal momento della loro scoperta nel 1991. I tubi cavi di carbonio puro, larghi quasi quanto un filamento di DNA, sono circa 100 volte più resistenti dell'acciaio e pesano un sesto. Le proprietà conduttive dei nanotubi, sia per l'elettricità che per il calore, competono con i migliori conduttori metallici. Possono anche fungere da semiconduttori attivati ​​dalla luce, dispositivi per la somministrazione di farmaci e persino spugne per assorbire l’olio.

Purtroppo i nanotubi di carbonio sono anche le prime donne dei nanomateriali; è difficile lavorare con loro, nonostante il loro squisito potenziale. Per cominciare, trovare i mezzi per produrre grandi quantità di nanotubi ha richiesto quasi un decennio. Gli scienziati hanno anche appreso presto che esistevano diverse dozzine di tipi di nanotubi, ciascuno con materiali e proprietà elettriche uniche; e gli ingegneri devono ancora trovare un modo per produrne un solo tipo. Invece, tutti i metodi di produzione producono un miscuglio di tipi, spesso in ciuffi simili a boli di pelo.

Creare oggetti su larga scala da questi grumi di nanotubi è stata una sfida. Una fibra filiforme che è meno di un quarto dello spessore di un capello umano conterrà decine di milioni di nanotubi ammassati uno accanto all’altro. Idealmente, questi nanotubi saranno perfettamente allineati – come matite in una scatola – e ben imballati. Alcuni laboratori hanno esplorato i mezzi per far crescere tali fibre intere, ma i tassi di produzione di queste fibre “allo stato solido” si sono rivelati piuttosto lenti rispetto ai metodi di produzione delle fibre che si basano su un processo chimico chiamato “filatura a umido”. In questo processo, grumi di nanotubi grezzi vengono sciolti in un liquido e spruzzati attraverso minuscoli fori per formare lunghi filamenti.

Poco dopo essere arrivato alla Rice nel 2000, Pasquali iniziò a studiare i metodi di filatura a umido del CNT con il defunto Richard Smalley, un pioniere della nanotecnologia e omonimo dello Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology della Rice. Nel 2003, due anni prima della sua prematura scomparsa, Smalley ha lavorato con Pasquali e colleghi per creare le prime fibre di nanotubi puri. Il lavoro ha stabilito un processo di filatura a umido di rilevanza industriale per i nanotubi, analogo ai metodi utilizzati per creare fibre aramidiche ad alte prestazioni, come il Twaron di Teijin, che vengono utilizzate nei giubbotti antiproiettile e in altri prodotti. Ma il processo doveva essere perfezionato. Le fibre non erano molto resistenti o conduttive, in parte a causa degli spazi vuoti e del disallineamento dei milioni di nanotubi al loro interno.