Les scientifiques de l'Université Rice ont réalisé une percée cruciale dans le développement d'un câble qui rendra possible un réseau électrique efficace du futur.

Le fil quantique de fauteuil (AQW) sera un tissage de nanotubes métalliques pouvant transporter de l'électricité avec des pertes négligeables sur de longues distances. Ce sera un remplacement idéal pour le réseau à base de cuivre du pays, qui fuit l'électricité à environ 5 pour cent par 100 milles de transmission, a déclaré le chimiste de Rice Andrew R. Barron, auteur d'un article sur le dernier pas en avant publié en ligne par la revue American Chemical Society Nano lettres.

Un obstacle technique de premier ordre dans le développement de ce "câble miracle, " Barron a dit, est la fabrication de quantités massives de nanotubes de carbone monoparoi métalliques, fauteuils surnommés pour leur forme unique. Les fauteuils sont les meilleurs pour transporter le courant, mais ne peut pas encore être fait seul. Ils poussent par lots avec d'autres types de nanotubes et doivent être séparés, ce qui est un processus difficile étant donné qu'un cheveu humain a 50 ans, 000 fois plus gros qu'un seul nanotube.

Le laboratoire de Barron a démontré un moyen de prendre de petits lots de nanotubes individuels et de les allonger considérablement. Idéalement, les nanotubes de fauteuils longs pourraient être coupés, réensemencé avec un catalyseur et repoussé indéfiniment.

L'article a été rédigé par l'étudiant diplômé et premier auteur Alvin Orbaek, étudiant de premier cycle Andrew Owens et Barron, le professeur de chimie Charles W. Duncan Jr.-Welch et professeur de science des matériaux.

L'amplification des nanotubes a été considérée comme une étape clé vers la fabrication pratique d'AQW par le regretté professeur Rice, pionnier de la nanotechnologie et lauréat du prix Nobel Richard Smalley, qui a travaillé en étroite collaboration avec le chimiste Barron et Rice James Tour, le T.T. et W.F. Chaire Chao en chimie ainsi que professeur de génie mécanique et science des matériaux et d'informatique, tracer la voie de son développement.

Barron a chargé Orbaek de donner suite lorsqu'il a rejoint le laboratoire il y a cinq ans. « Quand j'ai entendu parler pour la première fois de l'Université Rice, c'était à cause de Rick Smalley et des nanotubes de carbone, " dit Orbaek, originaire d'Irlande. « Il avait une grande présence mondiale en ce qui concerne les nanotechnologies, et cela m'est parvenu.

"J'étais donc ravi de venir ici et de découvrir que je travaillerais sur la croissance de nanotubes qui était liée au travail de Smalley."

Orbaek a dit qu'il ne s'est pas éloigné de la direction originale de Barron, qui impliquait de fixer chimiquement un catalyseur fer/cobalt aux extrémités des nanotubes, puis de régler avec précision la température et l'environnement dans lesquels l'amplification pourrait se produire.

"Mon groupe, avec Smalley et le groupe de Tour, démontré que vous pouviez le faire - mais dans la première démonstration, nous n'avons qu'un seul tube à pousser sur des centaines ou des milliers, " a déclaré Barron. Des expériences ultérieures ont augmenté le rendement, mais la croissance des tubes était minime. Dans d'autres tentatives, le catalyseur mangerait littéralement - ou "graverait" - les nanotubes, il a dit.

Le raffinement du processus a pris des années, mais le gain est clair car jusqu'à 90 pour cent des nanotubes d'un lot peuvent désormais être amplifiés sur des longueurs significatives, dit Barron. Les dernières expériences ont porté sur des nanotubes de carbone monoparoi de différentes chiralités, mais les chercheurs pensent que les résultats seraient aussi bons, et probablement encore mieux, avec un lot de fauteuils immaculés.

La clé était de trouver le bon équilibre des températures, pressions, les temps de réaction et les rapports de catalyseur pour favoriser la croissance et retarder la gravure, dit Barron. Alors que la croissance initiale a eu lieu à 1, 000 degrés Celsius, les chercheurs ont découvert que l'étape d'amplification nécessitait d'abaisser la température de 200 degrés, en plus d'ajuster la chimie pour maximiser le rendement.

"Ce que nous arrivons à ce point idéal où la plupart des nanotubes se développent et aucun d'entre eux ne grave, " dit Barron.

Wade Adams, directeur du Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology de Rice et chercheur principal du projet AQW, comparé la technique à la fabrication du pain au levain. "Vous fabriquez un petit lot de métaux purs, puis vous l'amplifiez énormément pour en faire une grande quantité. C'est une étape importante dans le développement de la science pour fabriquer AQW.

Adams a noté que huit professeurs Rice et des dizaines de leurs étudiants travaillent sur des aspects d'AQW. "Nous savons comment filer des nanotubes en fibres, et leurs propriétés s'améliorent rapidement aussi, ", a-t-il déclaré. "Tout cela doit maintenant être réuni dans un grand programme pour transformer les fils quantiques en un produit qui transportera de grandes quantités d'électricité à travers le monde."

Barron et son équipe continuent de peaufiner leur processus et espèrent pouvoir commencer d'ici la fin de l'été à amplifier des nanotubes de fauteuil dans le but de fabriquer de grandes quantités de métaux purs. "Nous en apprenons toujours plus sur les mécanismes par lesquels les nanotubes se développent, " dit Orbaek, qui voit la fin du jeu comme le développement d'un seul four pour faire croître des nanotubes à partir de zéro, couvrez-les avec un nouveau catalyseur, amplifiez-les et diffusez un flux constant de fibre pour les câbles.

"Ce que nous avons fait est un petit pas, " dit-il. " Mais il vérifie que, dans la grande image, fauteuil fil quantique est techniquement faisable."

Orbaek a déclaré qu'il était ravi de jouer un rôle dans la réalisation de l'amplification, ce que Smalley a reconnu comme nécessaire à son rêve d'un réseau énergétique efficace qui catalyserait des solutions à de nombreux problèmes du monde.

"Je serais ravi de le rencontrer maintenant pour dire, 'Hey, homme, tu avais raison, '" il a dit.