Les scientifiques de l'Université Rice fabriquent des solutions de nanotubes de carbone qui agissent comme des cristaux liquides en tant que précurseur pour les attirer dans de solides, fibres conductrices. Crédit :Martí Group
(Phys.org) — L'idée même de fibres en nanotubes de carbone est chouette, mais les scientifiques de l'Université Rice les rendent propres, littéralement.
Les nanotubes de carbone à paroi unique dans les nouvelles fibres créées à Rice s'alignent comme une poignée de spaghettis non cuits grâce à un processus conçu par le chimiste Angel Martí et ses collègues.
La partie délicate, selon Marti, dont le laboratoire a publié ses résultats ce mois-ci dans le journal ACS Nano , consiste à séparer les nanotubes densément emballés avant qu'ils ne soient rassemblés en une fibre.
Livrés à eux-mêmes, les nanotubes de carbone forment des amas qui sont tout à fait faux pour se transformer en une sorte de solide, fibres conductrices nécessaires pour des projets allant de l'électronique à l'échelle nanométrique aux réseaux électriques à grande échelle.
Des recherches antérieures à Rice par le chimiste et ingénieur chimiste Matteo Pasquali, un co-auteur sur le nouveau papier, utilisé un processus de dissolution acide pour maintenir les nanotubes séparés jusqu'à ce qu'ils puissent être filés en fibres. Maintenant Marti, Pasquali et ses collègues produisent des fibres « nettes » avec le même procédé mécanique, mais ils commencent avec un autre type de matière première.
"Le groupe de Matteo a utilisé de l'acide chlorosulfonique pour protoner la surface des nanotubes, " dit Martí. "Cela leur donnerait une surface chargée positivement pour qu'ils se repoussent en solution. La technique que nous utilisons est exactement le contraire."
La fibre de nanotubes de carbone pur a un potentiel d'utilisation dans l'électronique à petite échelle et les applications électriques à grande échelle. Crédit :Jeff Fitlow
Un processus révélé l'année dernière par Martí et les auteurs principaux Chengmin Jiang, un étudiant diplômé, et Avishek Saha, un ancien élève de Rice, commence par charger négativement les nanotubes de carbone en les infusant de potassium, un métal, et les transformer en une sorte de sel connu sous le nom de polyélectrolyte. Ils utilisent ensuite des éthers couronnes en forme de cage pour capturer les ions potassium qui, autrement, freineraient la capacité des nanotubes à se repousser.
Mettez suffisamment de nanotubes dans une telle solution et ils sont pris entre les forces répulsives et une incapacité à se déplacer dans un environnement surpeuplé, dit Marti. Ils sont obligés de s'aligner - une propriété déterminante des cristaux liquides - et cela les rend plus faciles à gérer.
Les tubes sont finalement forcés ensemble en fibres lorsqu'ils sont extrudés à travers la pointe d'une aiguille. À ce moment, la forte force de van der Waals prend le relais et lie étroitement les nanotubes entre eux, dit Marti.
Mais pour faire des matériaux macroscopiques, l'équipe de Martí a dû emballer beaucoup plus de nanotubes dans la solution que dans les expériences précédentes. « Quand vous commencez à augmenter la concentration, le nombre de nanotubes dans la phase cristalline liquide devient plus abondant que ceux dans la phase isotrope (désordonnée), et c'est exactement ce dont nous avions besoin, " dit Marti.
Les chercheurs ont découvert que 40 milligrammes de nanotubes par millilitre leur donnaient un gel épais après avoir mélangé à grande vitesse et filtré les gros amas restants. "C'est comme une centrifugeuse avec un tambour rotatif, " Martí a déclaré à propos de l'engrenage de mélange. "Il produit des forces non conventionnelles dans la solution."
Les nanotubes de carbone extrudés dans une fibre pure sont le produit d'un procédé sans acide inventé à l'Université Rice. Crédit :Martí Group
L'alimentation de ce gel de nanotubes dense à travers une ouverture étroite en forme d'aiguille a produit une fibre continue sur l'équipement du laboratoire Pasquali. La résistance et la rigidité des fibres pures approchaient également celles des fibres précédemment produites avec le procédé à base d'acide de Pasquali. "Nous n'avons apporté aucune modification à son système et il a parfaitement fonctionné, " dit Marti.
Les fibres de la largeur des cheveux peuvent être tissées en câbles plus épais, et l'équipe étudie des moyens d'améliorer leurs propriétés électriques en dopant les nanotubes avec de l'iodure. "La recherche est fondamentalement analogue à ce que fait Matteo, " a déclaré Martí. "Nous avons utilisé ses outils, mais nous avons donné une tournure au processus avec une préparation différente, Alors maintenant, nous sommes les premiers à fabriquer des fibres nettes d'électrolytes de nanotubes de carbone pur. C'est très cool."
Pasquali a déclaré que le système de filature fonctionnait avec peu de besoin d'adaptation car la configuration est scellée. "La solution d'électrolyte de nanotubes pourrait être protégée de l'oxygène et de l'eau, qui aurait provoqué la précipitation des nanotubes, " il a dit.
"Il s'avère que ce n'est pas un écueil, car nous voulons que les nanotubes précipitent et collent les uns aux autres dès qu'ils sortent du système scellé par l'aiguille. Le processus n'était pas difficile à contrôler, s'adapter et s'étendre une fois que nous aurons compris la science fondamentale."
