Images au microscope électronique à balayage d'un textile en nanotubes de carbone (CNT) architecturés fabriqué dans l'Illinois. Le schéma en couleur montre l'architecture des NTC auto-tissés, et l'encart montre une haute résolution SEM de l'inter-diffusion de CNT parmi les différents patchs en raison de l'épissage capillaire. Crédit :Université de l'Illinois
Reflétant la structure des composites trouvés dans la nature et le monde antique, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont synthétisé des textiles minces en nanotubes de carbone (CNT) qui présentent à la fois une conductivité électrique élevée et un niveau de ténacité environ cinquante fois plus élevé que les films de cuivre, actuellement utilisé en électronique.
"La robustesse structurelle des films métalliques minces a une importance significative pour le fonctionnement fiable de la peau intelligente et de l'électronique flexible, y compris les capteurs de surveillance de la santé biologique et structurelle, " a expliqué Sameh Tawfick, professeur adjoint de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Illinois. « Les feuilles de nanotubes de carbone alignées conviennent à un large éventail d'applications allant de la micro à la macro-échelle, y compris les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), électrodes de supercondensateur, câbles électriques, muscles artificiels, et composites multifonctionnels.
"A notre connaissance, il s'agit de la première étude à appliquer les principes de la mécanique de la rupture pour concevoir et étudier la ténacité des textiles CNT nano-architecturenés. Le cadre théorique de la mécanique de la rupture s'est avéré très robuste pour une variété de matériaux linéaires et non linéaires."
nanotubes de carbone, qui existent depuis le début des années 90, ont été salués comme un "matériau miracle" pour de nombreuses applications nanotechnologiques, et à juste titre. Ces minuscules structures cylindriques fabriquées à partir de feuilles de graphène enveloppées ont un diamètre de quelques nanomètres, environ 1000 fois plus mince qu'un cheveu humain, encore, un seul nanotube de carbone est plus résistant que l'acier et les fibres de carbone, plus conducteur que le cuivre, et plus léger que l'aluminium.
Cependant, il s'est avéré très difficile de construire des matériaux, tels que des tissus ou des films qui démontrent ces propriétés sur des échelles centimétriques ou métriques. Le défi vient de la difficulté d'assembler et de tisser les NTC car ils sont si petits, et leur géométrie est très difficile à contrôler.
Exemple de courbe contrainte-déformation résultant d'essais mécaniques d'un textile en nanotubes de carbone. Le graphique du bas montre la capacité des chercheurs à régler le comportement mécanique, à savoir la résistance (force maximale à la rupture) et le module (résistance à l'étirement) en faisant varier l'architecture textile. Crédit :Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
« L'étude de l'énergie de rupture des textiles CNT nous a conduit à concevoir ces films extrêmement résistants, " a déclaré Yue Liang, un ancien étudiant diplômé du groupe de recherche sur les matériaux cinétiques et auteur principal de l'article, "Textile conducteur nano-architecturé résistant fabriqué par épissage capillaire de nanotubes de carbone, " apparaissant dans Matériaux d'ingénierie avancés . A notre connaissance, il s'agit de la première étude de l'énergie de rupture des textiles CNT.
A partir de catalyseur déposé sur un substrat d'oxyde de silicium, des nanotubes de carbone alignés verticalement ont été synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur sous forme de lignes parallèles de 5 µm de largeur, 10 ?μm de longueur, et 20-60 ? μm de hauteurs.
"Le motif de catalyseur décalé est inspiré du motif de conception de brique et de mortier couramment observé dans les matériaux naturels résistants tels que l'os, nacre, l'éponge de mer de verre, et bambou, " Liang a ajouté. " Vous cherchez des moyens d'agrafer les CNT ensemble, nous avons été inspirés par le processus d'épissage développé par les anciens Égyptiens 5, il y a 000 ans pour fabriquer des textiles en lin. Nous avons essayé plusieurs approches mécaniques dont le micro-laminage et la compression mécanique simple pour réorienter simultanément les nanotubes, alors, finalement, nous avons utilisé les forces capillaires autonomes pour agrafer les NTC ensemble. »
"Ce travail allie synthèse soignée, et des expérimentations et modélisations délicates, " a déclaré Tawfick. " L'électronique flexible est soumise à des flexions et des étirements répétés, ce qui pourrait provoquer leur défaillance mécanique. Ce nouveau textile CNT, avec simple encapsulation souple dans une matrice élastomère, peut être utilisé dans les textiles intelligents, peaux intelligentes, et une variété d'électronique flexible. En raison de leur ténacité extrêmement élevée, ils représentent un matériau attractif, qui peut remplacer les films métalliques minces pour améliorer la fiabilité de l'appareil."
En plus de Liang et Tawfick, les co-auteurs incluent David Sias et Ping Ju Chen.
