(Phys.org)—La dernière percée en nanotechnologie de l'Université Rice a duré plus de 10 ans, mais c'est quand même venu avec un choc. Les scientifiques de Rice, la firme néerlandaise Teijin Aramid, l'US Air Force et le Technion Institute d'Israël ont dévoilé cette semaine une nouvelle fibre de nanotubes de carbone (CNT) qui ressemble et agit comme un fil textile et conduit l'électricité et la chaleur comme un fil métallique. Dans le numéro de cette semaine de Science , les chercheurs décrivent un processus évolutif industriellement pour fabriquer les fibres filiformes, qui surpassent les matériaux haute performance disponibles dans le commerce de plusieurs manières.

"Nous avons enfin une fibre de nanotubes avec des propriétés qui n'existent dans aucun autre matériau, " a déclaré le chercheur principal Matteo Pasquali, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de chimie à Rice. "Il ressemble à du fil de coton noir mais se comporte à la fois comme des fils métalliques et des fibres de carbone solides."

L'équipe de recherche comprend des universitaires, des scientifiques gouvernementaux et industriels de Rice; Le siège de Teijin Aramid à Arnhem, les Pays-Bas; l'Institut de technologie Technion-Israël à Haïfa, Israël; et l'Air Force Research Laboratory (AFRL) à Dayton, Ohio.

« Les nouvelles fibres CNT ont une conductivité thermique proche de celle des meilleures fibres de graphite mais avec une conductivité électrique 10 fois supérieure, " a déclaré le co-auteur de l'étude Marcin Otto, responsable du développement commercial chez Teijin Aramid. "Les fibres de graphite sont également cassantes, tandis que les nouvelles fibres CNT sont aussi flexibles et résistantes qu'un fil textile. Nous prévoyons que cette combinaison de propriétés conduira à de nouveaux produits dotés de capacités uniques pour l'aérospatiale, automobile, marchés de la médecine et des vêtements intelligents."

Les propriétés phénoménales des nanotubes de carbone ont captivé les scientifiques dès leur découverte en 1991. Les tubes creux de carbone pur, qui sont presque aussi larges qu'un brin d'ADN, sont environ 100 fois plus résistants que l'acier à un sixième du poids. Les propriétés conductrices des nanotubes, tant pour l'électricité que pour la chaleur, rivalisent avec les meilleurs conducteurs métalliques. Ils peuvent également servir de semi-conducteurs activés par la lumière, des dispositifs d'administration de médicaments et même des éponges pour absorber l'huile.

Malheureusement, les nanotubes de carbone sont aussi la prima donna des nanomatériaux; ils sont difficiles à travailler, malgré leur potentiel exquis. Pour commencer, trouver les moyens de produire des quantités massives de nanotubes a pris près d'une décennie. Les scientifiques ont également appris très tôt qu'il existait plusieurs dizaines de types de nanotubes, chacun avec des propriétés matérielles et électriques uniques; et les ingénieurs doivent encore trouver un moyen de produire un seul type. Au lieu, toutes les méthodes de production donnent un méli-mélo de types, souvent en touffes ressemblant à des boules de poils.

Créer des objets à grande échelle à partir de ces amas de nanotubes a été un défi. Une fibre filiforme qui fait moins du quart de l'épaisseur d'un cheveu humain contiendra des dizaines de millions de nanotubes emballés côte à côte. Idéalement, ces nanotubes seront parfaitement alignés, comme des crayons dans une boîte, et bien emballés. Certains laboratoires ont exploré des moyens de faire pousser de telles fibres entières, mais les taux de production de ces fibres "à l'état solide" se sont avérés assez lents par rapport aux méthodes de production de fibres qui reposent sur un processus chimique appelé "filage au mouillé". Dans ce processus, des amas de nanotubes bruts sont dissous dans un liquide et projetés à travers de minuscules trous pour former de longs brins.

Peu de temps après son arrivée à Rice en 2000, Pasquali a commencé à étudier les méthodes de filage humide des CNT avec le regretté Richard Smalley, un pionnier de la nanotechnologie et l'homonyme du Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. En 2003, deux ans avant sa mort prématurée, Smalley a travaillé avec Pasquali et ses collègues pour créer les premières fibres de nanotubes pures. Les travaux ont établi un processus de filage humide pertinent sur le plan industriel pour les nanotubes, analogue aux méthodes utilisées pour créer des fibres d'aramide hautes performances, comme le Twaron de Teijin, qui sont utilisées dans les gilets pare-balles et d'autres produits. Mais le processus devait être affiné. Les fibres n'étaient pas très résistantes ou conductrices, dû en partie aux lacunes et au désalignement des millions de nanotubes à l'intérieur.

« Il est essentiel d'obtenir un compactage et un alignement très élevés des nanotubes de carbone dans les fibres, " a déclaré le co-auteur de l'étude Yeshayahu Talmon, directeur du Russell Berrie Nanotechnology Institute du Technion, qui a commencé à collaborer avec Pasquali il y a environ cinq ans.

La prochaine grande percée a eu lieu en 2009, quand Talmon, Pasquali et ses collègues ont découvert le premier vrai solvant pour les nanotubes, l'acide chlorosulfonique. Pour la première fois, les scientifiques avaient un moyen de créer des solutions hautement concentrées de nanotubes, un développement qui a conduit à un alignement et un emballage améliorés.

"Jusqu'à ce moment là, personne ne pensait que l'essorage de l'acide chlorosulfonique était possible car il réagit avec l'eau, " a dit Pasquali. " Un étudiant diplômé dans mon laboratoire, Natnael Bahabtu, ont trouvé des moyens simples de montrer que les fibres de NTC pouvaient être filées à partir de solutions d'acide chlorosulfonique. C'était essentiel pour ce nouveau processus."

Pasquali a déclaré que d'autres laboratoires avaient découvert que la résistance et la conductivité des fibres filées pouvaient également être améliorées si le matériau de départ - les amas de nanotubes bruts - contenait de longs nanotubes avec peu de défauts atomiques. En 2010, Pasquali et Talmon ont commencé à expérimenter avec des nanotubes de différents fournisseurs et à travailler avec des scientifiques de l'AFRL pour mesurer les propriétés électriques et thermiques précises des fibres améliorées.

Durant la même période, Otto was evaluating methods that different research centers had proposed for making CNT fibers. He envisaged combining Pasquali's discoveries, Teijin Aramid's know-how and the use of long CNTs to further the development of high performance CNT fibers. En 2010, Teijin Aramid set up and funded a project with Rice, and the company's fiber-spinning experts have collaborated with Rice scientists throughout the project.

"The Teijin scientific and technical help led to immediate improvements in strength and conductivity, " Pasquali said.

Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, mentionné, "The research showed that the electrical conductivity of the fibers could be tuned and optimized with techniques that were applied after initial production. This led to the highest conductivity ever reported for a macroscopic CNT fiber."

The fibers reported in Science have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, Pasquali said. The specific electrical conductivity of the new fibers is on par with copper, gold and aluminum wires, but the new material has advantages over metal wires.

Par exemple, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, Pasquali said.

"Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, " he said. "In many cases, people use metal wires that are far more thick than required for the electrical needs, simply because it's not feasible to produce a thinner wire. Data cables are a particularly good example of this."