(PhysOrg.com) -- Les scientifiques de l'Université Rice ont dévoilé aujourd'hui une méthode de traitement à l'échelle industrielle des fibres de nanotubes de carbone pur qui pourrait conduire à des avancées révolutionnaires dans la science des matériaux, distribution d'énergie et nanoélectronique. Le résultat d'un programme de neuf ans, la méthode s'appuie sur des processus éprouvés que les entreprises chimiques utilisent depuis des décennies pour produire des plastiques. La recherche est disponible en ligne dans la revue Nature Nanotechnologie .

« Les plastiques représentent une industrie de 300 milliards de dollars aux États-Unis en raison du débit massif qu'offre le traitement des fluides, " a déclaré Matteo Pasquali de Rice, co-auteur de l'article et professeur en génie chimique et biomoléculaire et en chimie. « La raison pour laquelle les épiceries utilisent des sacs en plastique au lieu de papier et la raison pour laquelle les chemises en polyester sont moins chères que le coton est que les polymères peuvent être fondus ou dissous et transformés en fluides par la charge du wagon. Le traitement des nanotubes en tant que fluides ouvre tout le fluide- technologie de traitement qui a été développée pour les polymères.

Le rapport a été co-écrit par une équipe de 18 membres de scientifiques de l'Institut Richard E. Smalley de Rice pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique, l'Université de Pennsylvanie et le Technion-Israel Institute of Technology. Les co-auteurs incluent l'homonyme du Smalley Institute, Rick Smalley, le regretté chimiste lauréat du prix Nobel qui a développé la première méthode à haut débit pour produire des nanotubes de carbone de haute qualité, ainsi que Virginia Davis, un ancien doctorant de Pasquali's et Smalley's qui est maintenant professeur à l'Université d'Auburn, et Michée Vert, un ancien chercheur postdoctoral de Pasquali qui est maintenant professeur à la Texas Tech University.

Le nouveau procédé s'appuie sur la découverte de Rice en 2003 d'un moyen de dissoudre de grandes quantités de nanotubes purs dans des solvants acides forts comme l'acide sulfurique. L'équipe de recherche a ensuite découvert que les nanotubes de ces solutions s'alignaient, comme des spaghettis dans un emballage, pour former des cristaux liquides qui pourraient être filés en fibres monofilament de la taille d'un cheveu humain.

"Cette recherche a établi un processus industriellement pertinent pour les nanotubes qui était analogue aux méthodes utilisées pour créer du Kevlar à partir de polymères en forme de tige, sauf que l'acide n'est pas un vrai solvant, " a déclaré Wade Adams, directeur du Smalley Institute et co-auteur du nouvel article. "La recherche actuelle montre que nous avons un véritable solvant pour les nanotubes - l'acide chlorosulfonique - c'est ce que nous avons cherché à trouver lorsque nous avons lancé ce projet il y a neuf ans."

Suite à la percée de 2003 avec les solvants acides, l'équipe a étudié méthodiquement le comportement des nanotubes dans différents types et concentrations d'acides. En comparant et contrastant le comportement des nanotubes dans les acides avec la littérature sur les polymères et les colloïdes en bâtonnets, l'équipe a développé à la fois les outils théoriques et pratiques dont les entreprises chimiques auront besoin pour traiter les nanotubes en vrac.

"Ishi Talmon et ses collègues du Technion ont effectué le travail critique requis pour aider à obtenir la preuve directe que les nanotubes se dissolvaient spontanément dans l'acide chlorosulfonique, " dit Pasquali. " Pour ce faire, ils ont dû développer de nouvelles techniques expérimentales pour l'imagerie directe de solutions acides vitrifiées surgelées."

Talmon a dit, "Ce fut une étude très difficile. L'équipe de Matteo n'a pas seulement dû mettre au point de nouvelles techniques expérimentales pour y parvenir, ils ont également dû faire des extensions significatives aux théories classiques qui ont été utilisées pour décrire les solutions de tiges. L'équipe du Technion a dû développer une nouvelle méthodologie pour nous permettre de produire des images haute résolution des nanotubes dispersés dans l'acide chlorosulfonique, un fluide très corrosif, par microscopie électronique de pointe à des températures cryogéniques."

Co-auteur Nicholas Parra-Vasquez, un étudiant diplômé de Rice conseillé par Pasquali qui travaille maintenant en France, mentionné, "En regardant le projet quand j'ai commencé, Je n'avais aucune idée de l'endroit où cela allait aboutir et de la quantité de travail qu'il fallait faire. Le projet a réuni de nombreux étudiants et professeurs, ainsi que des collaborations avec d'autres écoles. À cause de ce, il s'agissait d'un processus lent, mais qui ne laissait aucune piste incontrôlée. En le regardant maintenant, Je n'arrive pas à croire à quel point c'est devenu grand – combien d'efforts ont été déployés pour chaque point trouvé."

Peu de percées technologiques ont été autant médiatisées que les nanotubes de carbone. Depuis leur découverte en 1991, les nanotubes ont été présentés comme tout, d'un remède contre le cancer à une solution à la crise énergétique mondiale. Le battage médiatique est d'autant plus remarquable étant donné que les nanotubes sont notoirement difficiles à travailler et que les chimistes du monde entier ont même lutté pendant des années pour les fabriquer.

Alors pourquoi le battage médiatique? Mettre tout simplement, les nanotubes de carbone sont remarquables. Bien qu'elles aient à peu près la même taille et la même forme que certaines molécules de polymère en forme de tige, les nanotubes peuvent conduire l'électricité ainsi que le cuivre, et ils peuvent être soit des métaux, soit des semi-conducteurs. Ils peuvent être marqués avec des anticorps pour diagnostiquer des maladies ou chauffés avec des ondes radio pour détruire le cancer. Ils ont été utilisés pour fabriquer des transistors beaucoup plus petits que ceux des meilleures micropuces d'aujourd'hui. Les nanotubes pèsent également environ un sixième du poids de l'acier, mais peuvent être jusqu'à 100 fois plus résistants.

"Kevlar, la fibre polymère utilisée dans les gilets pare-balles, est environ cinq à 10 fois plus résistant que nos fibres de nanotubes les plus solides aujourd'hui, mais en principe, nous devrions pouvoir rendre nos fibres environ 100 fois plus résistantes, " a déclaré Pasquali. " Si nous pouvons réaliser même 20 pour cent de notre potentiel, nous aurons un excellent matériel, peut-être le plus fort jamais connu.

"La conductivité électrique est déjà assez bonne, " Il a dit. " C'est à peu près la même chose des fibres de carbone-carbone les plus conductrices, et cela pourrait être amélioré 200 fois si de meilleures méthodes de production pour les nanotubes métalliques pouvaient être trouvées."

La nouvelle recherche apparaît juste au moment où l'Institut Smalley se prépare pour une célébration du 10e anniversaire le 5 novembre de la création du réacteur "HiPco" de Smalley, le premier système capable de produire des nanotubes de haute qualité en vrac. HiPco, abréviation de processus de monoxyde de carbone à haute pression, a brisé l'impasse sur la production de nanotubes et a ouvert la voie à plus d'études scientifiques et à l'industrie pour commencer à les utiliser dans certains matériaux. Les réacteurs industriels à nanotubes génèrent aujourd'hui plusieurs tonnes de nanotubes de carbone de mauvaise qualité par an, et le marché mondial des nanotubes devrait dépasser les 2 milliards de dollars par an au cours de la prochaine décennie.

Mais une dernière percée reste à faire avant que le véritable potentiel des nanotubes de carbone de haute qualité puisse être réalisé. C'est parce que HiPco et toutes les autres méthodes de fabrication haut de gamme, les nanotubes « monoparois » génèrent un méli-mélo de nanotubes de diamètres différents, longueurs et structures moléculaires. Les scientifiques du monde entier se démènent pour trouver un processus qui générera un seul type de nanotube en vrac, comme les variétés métalliques les plus conductrices, par exemple.

"Une bonne chose à propos du processus que nous avons en ce moment est que si quelqu'un pouvait nous donner un gramme de nanotubes métalliques purs, nous pourrions leur donner un gramme de fibres en quelques jours, " a déclaré Pasquali.

Source :Rice University (actualité :web)