Les impuretés de fer sont faciles à voir dans un faisceau de nanotubes de carbone observé au microscope électronique à transmission. Des chercheurs de l'Université Rice et de l'Université nationale de Singapour mènent la charge de purifier les nanotubes pour une utilisation en continu, fibres de nanotubes de carbone solides et conductrices. Crédit :Flux complexes de fluides complexes/Université Rice
Pour faire en continu, fibres de nanotubes de carbone solides et conductrices, il vaut mieux commencer par de longs nanotubes, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Le laboratoire Rice du chimiste et ingénieur chimiste Matteo Pasquali, qui a démontré sa méthode pionnière pour filer des nanotubes de carbone en fibres en 2013, a fait progresser l'art de fabriquer des matériaux à base de nanotubes avec deux nouveaux articles dans l'American Chemical Society Matériaux et interfaces appliqués ACS .
Le premier article caractérisait 19 lots de nanotubes produits par autant de fabricants pour déterminer quelles caractéristiques des nanotubes produisent les fibres les plus conductrices et les plus résistantes pour une utilisation dans l'aérospatiale à grande échelle, l'électronique grand public et les applications textiles.
Les chercheurs ont déterminé que le rapport d'aspect des nanotubes (longueur par rapport à la largeur) est un facteur critique, de même que la pureté globale du lot. Ils ont trouvé les diamètres des tubes, le nombre de parois et la qualité cristalline ne sont pas aussi importants pour les propriétés du produit.
Pasquali a déclaré que si le rapport d'aspect des nanotubes était connu pour avoir une influence sur les propriétés des fibres, il s'agit du premier travail systématique à établir la relation entre une large gamme d'échantillons de nanotubes. Les chercheurs ont découvert que des nanotubes plus longs pouvaient être traités aussi bien que des nanotubes plus courts, et que la résistance mécanique et la conductivité électrique ont augmenté en parallèle.
Les meilleures fibres avaient une résistance à la traction moyenne de 2,4 gigapascals (GPa) et une conductivité électrique de 8,5 mégasiemens par mètre, environ 15 pour cent de la conductivité du cuivre. L'augmentation de la longueur des nanotubes pendant la synthèse ouvrira la voie à d'autres améliorations des propriétés, dit Pasquali.
Le deuxième article portait sur la purification des fibres produites par la méthode du catalyseur flottant pour une utilisation dans les films et les aérogels. Ce processus est rapide, efficace et rentable à moyenne échelle et peut produire le filage direct de fibres de nanotubes de haute qualité ; cependant, il laisse des impuretés, y compris les particules de catalyseur métallique et les morceaux de carbone restants, permet moins de contrôle de la structure de la fibre et limite les opportunités de mise à l'échelle, dit Pasquali.
Une image au microscope électronique à transmission de nanotubes de carbone purifiés. Des chercheurs de l'Université Rice et de l'Université nationale de Singapour développent un procédé pour éliminer les impuretés de lots de longs nanotubes pour les faire tourner en continu, fibres conductrices. Crédit :Flux complexes de fluides complexes/Université Rice
"C'est là que ces deux papiers convergent, " at-il dit. " Il existe essentiellement deux façons de fabriquer des fibres de nanotubes. Dans une, vous fabriquez les nanotubes puis vous les filez en fibres, c'est ce que nous avons développé chez Rice. Dans l'autre, développé à l'Université de Cambridge, vous fabriquez des nanotubes dans un réacteur et réglez le réacteur de telle sorte que, à la fin, vous pouvez retirer les nanotubes directement sous forme de fibres.
"Il est clair que ces fibres filées directement comprennent des nanotubes plus longs, il y a donc un intérêt à inclure les tubes dans ces fibres comme source de matériau pour notre méthode de filage, " Pasquali a déclaré. "Ce travail est un premier pas vers cet objectif."
Le processus de réacteur développé il y a une décennie par le scientifique des matériaux Alan Windle de l'Université de Cambridge produit les longs nanotubes et fibres requis en une seule étape, mais les fibres doivent être purifiées, dit Pasquali. Des chercheurs de Rice et de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une méthode oxydante simple pour nettoyer les fibres et les rendre utilisables pour un plus large éventail d'applications.
Les laboratoires ont purifié des échantillons de fibres dans un four, d'abord brûler les impuretés de carbone dans l'air à 500 degrés Celsius (932 degrés Fahrenheit), puis les immerger dans de l'acide chlorhydrique pour dissoudre les impuretés du catalyseur de fer.
Les impuretés dans les fibres résultantes ont été réduites à 5 pour cent du matériau, ce qui les rend solubles dans les acides. Les chercheurs ont ensuite utilisé la solution de nanotubes pour rendre conducteur, films minces transparents.
« Il existe un grand potentiel pour que ces techniques disparates soient combinées pour produire des fibres de qualité supérieure et la technologie mise à l'échelle pour une utilisation industrielle, " a déclaré le co-auteur Hai Minh Duong, un professeur assistant NUS de génie mécanique. « La méthode du catalyseur flottant permet de produire assez rapidement différents types de nanotubes avec un bon contrôle de la morphologie. Les filaments de nanotubes peuvent être collectés directement à partir de leur aérogel formé dans le réacteur. Ces filaments de nanotubes peuvent ensuite être purifiés et torsadés en fibres en utilisant la technique de mouillage développée par le groupe Pasquali."
Pasquali a noté que la collaboration entre Rice et Singapour représente une convergence d'un autre type. "C'est peut-être la première fois que quelqu'un de la ligne de filature de fibres de Cambridge (Duong était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Windle) et la ligne de filature de fibres de riz ont convergé, ", a-t-il déclaré. "Nous travaillons ensemble pour essayer des matériaux fabriqués selon le procédé Cambridge et les adapter au procédé Rice."
