Une équipe de recherche internationale basée à l'Université du Texas à Dallas a fabriqué des fibres électriquement conductrices qui peuvent être étirées de manière réversible à plus de 14 fois leur longueur initiale et dont la conductivité électrique augmente de 200 fois lorsqu'elle est étirée.

L'équipe de recherche utilise les nouvelles fibres pour fabriquer des muscles artificiels, ainsi que des condensateurs dont la capacité de stockage d'énergie augmente d'environ dix fois lorsque les fibres sont étirées. Les fibres et câbles issus de l'invention pourraient un jour être utilisés comme interconnexions pour circuits électroniques super-élastiques; robots et exosquelettes ayant une grande portée ; morphing avion; capteurs de contrainte à portée géante; sondes de stimulateur cardiaque sans défaillance ; et des cordons de chargeur ultra-extensibles pour appareils électroniques.

Dans une étude publiée dans le numéro du 24 juillet de la revue Science , les scientifiques décrivent comment ils ont construit les fibres en enveloppant plus léger que l'air, feuilles électriquement conductrices de minuscules nanotubes de carbone pour former une gaine en forme de rouleau de gelée autour d'un long noyau en caoutchouc.

Les nouvelles fibres diffèrent des matériaux conventionnels de plusieurs manières. Par exemple, lorsque les fibres conventionnelles sont étirées, l'augmentation de la longueur et la diminution de la section transversale qui en résultent limitent le flux d'électrons à travers le matériau. Mais même un étirement « géant » des nouvelles fibres conductrices gaine-noyau modifie peu leur résistance électrique, a déclaré le Dr Ray Baughman, auteur principal de l'article et directeur du Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute à l'UT Dallas.

L'une des clés de la performance des nouvelles fibres élastiques conductrices est l'introduction du flambage dans les feuilles de nanotubes de carbone. Parce que le noyau en caoutchouc est étiré sur toute sa longueur lorsque les feuilles sont enroulées autour de lui, lorsque le caoutchouc enveloppé se détend, les nanofibres de carbone forment une structure bouclée complexe, ce qui permet un étirement répété de la fibre.

"Pensez au flambage qui se produit lorsqu'un accordéon est comprimé, ce qui rend le matériau inélastique de l'accordéon extensible, " a déclaré Baughman, la chaire distinguée Robert A. Welch en chimie à l'UT Dallas.

"Nous rendons les gaines de nanotubes de carbone inélastiques de nos fibres gaine-noyau super extensibles en modulant de grandes boucles avec de petites boucles, de sorte que l'allongement des deux types de boucles peut contribuer à l'élasticité. Ces fibres étonnantes maintiennent la même résistance électrique, même lorsqu'il est étiré par des quantités géantes, parce que les électrons peuvent traverser une telle gaine à boucle hiérarchique aussi facilement qu'ils peuvent traverser une gaine droite."

Dr Zunfeng Liu, auteur principal de l'étude et chercheur associé au NanoTech Institute, a déclaré que la structure des fibres gaine-cœur "a en outre une complexité intéressante et importante". Les boucles se forment non seulement sur la longueur de la fibre, mais aussi autour de sa circonférence.

"Le rétrécissement de la circonférence de la fibre pendant l'étirement de la fibre provoque ce deuxième type de flambage hiérarchique réversible autour de sa circonférence, même si le flambement dans le sens des fibres disparaît temporairement, " a déclaré Liu. " Cette nouvelle combinaison de flambage en deux dimensions évite le désalignement des directions des nanotubes et des noyaux de caoutchouc, permettant à la résistance électrique de la fibre gaine-cœur d'être insensible à l'étirement."

En ajoutant une fine surcouche de caoutchouc aux fibres gaine-noyau puis une autre gaine de nanotubes de carbone, les chercheurs ont fabriqué des capteurs de contrainte et des muscles artificiels dans lesquels les gaines de nanotubes bouclées servent d'électrodes et la fine couche de caoutchouc est un diélectrique, résultant en un condensateur à fibre. Ces condensateurs à fibre ont présenté un changement de capacité de 860 pour cent lorsque la fibre a été étirée de 950 pour cent.

"Aucun capteur de contrainte basé sur un matériau actuellement disponible ne peut fonctionner sur une plage de contrainte presque aussi large, " dit Liu.

L'ajout de torsion à ces fibres à double gaine a permis d'obtenir des résultats rapides, des muscles artificiels de torsion ou de rotation alimentés électriquement qui pourraient être utilisés pour faire tourner des miroirs dans des circuits optiques ou pour pomper des liquides dans des appareils miniatures utilisés pour l'analyse chimique, a déclaré le Dr Carter Haines BS'11, PhD'15, chercheur associé au NanoTech Institute et auteur de l'article.

Dans le laboratoire, Nan Jiang, chercheur associé au NanoTech Institute, ont démontré que les élastomères conducteurs peuvent être fabriqués dans des diamètres allant du très petit à environ 150 microns, ou deux fois la largeur d'un cheveu humain - à des tailles beaucoup plus grandes, en fonction de la taille du noyau en caoutchouc. "Les petites fibres individuelles peuvent également être combinées en gros faisceaux et retors comme du fil ou de la corde, " elle a dit.

« Cette technologie pourrait être bien adaptée à une commercialisation rapide, " a déclaré le Dr Raquel Ovalle-Robles MS'06 PhD'08, auteur de l'article et stratège en chef de la recherche et de la propriété intellectuelle au Lintec of America's Nano-Science &Technology Center.

« Les âmes en caoutchouc utilisées pour ces fibres gaine-âme sont peu coûteuses et facilement disponibles, " dit-elle. " Le seul composant exotique est la feuille d'aérogel de nanotubes de carbone utilisée pour la gaine de fibre. "

L'année dernière, L'UT Dallas a concédé sous licence à Lintec of America un processus développé par l'équipe de Baughman pour transformer les nanotubes de carbone en structures à grande échelle, tels que des feuilles. Lintec a ouvert son Nano-Science &Technology Center à Richardson, Texas, à moins de 5 miles du campus de l'UT Dallas, pour fabriquer des feuilles d'aérogel de nanotubes de carbone pour diverses applications.