Les fibres de nanotubes de carbone fabriquées à l'Université Rice sont désormais plus résistantes que le Kevlar et améliorent progressivement la conductivité du cuivre.

Le laboratoire Rice de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Matteo Pasquali a rapporté dans Carbone il a développé ses fibres les plus solides et les plus conductrices à ce jour, constitué de longs nanotubes de carbone par un procédé de filage humide.

Dans la nouvelle étude menée par les étudiants diplômés de Rice Lauren Taylor et Oliver Dewey, les chercheurs ont noté que les fibres de nanotubes de carbone filées au mouillé, qui pourraient conduire à des percées dans une multitude d'applications médicales et de matériaux, ont doublé de force et de conductivité tous les trois ans, une tendance qui s'étend sur près de deux décennies.

Bien que cela puisse ne jamais imiter la loi de Moore, qui a établi une référence pour les avancées des puces informatiques depuis des décennies, Pasquali et son équipe font leur part pour faire progresser la méthode qu'ils ont mise au point pour fabriquer des fibres de nanotubes de carbone.

Les fibres filiformes du laboratoire, avec des dizaines de millions de nanotubes en section transversale, sont à l'étude pour servir de ponts pour réparer les cœurs endommagés, comme interfaces électriques avec le cerveau, pour une utilisation dans les implants cochléaires, comme antennes flexibles et pour les applications automobiles et aérospatiales.

Ils font également partie du Carbon Hub, une initiative de recherche multiuniversitaire lancée en 2019 par Rice avec le soutien de Shell, Prysmian et Mitsubishi pour créer un avenir zéro émission.

« Les fibres de nanotubes de carbone ont longtemps été vantées pour leurs propriétés potentiellement supérieures, " a déclaré Pasquali. " Deux décennies de recherche à Rice et ailleurs ont fait de ce potentiel une réalité. Nous avons maintenant besoin d'un effort mondial pour augmenter l'efficacité de la production afin que ces matériaux puissent être fabriqués avec zéro émission de dioxyde de carbone et potentiellement avec une production simultanée d'hydrogène propre. »

"Le but de cet article est de mettre en avant les propriétés record des fibres produites dans notre laboratoire, " a déclaré Taylor. " Ces améliorations signifient que nous surpassons maintenant le Kevlar en termes de résistance, ce qui pour nous est une très grande réussite. Avec juste un autre doublement, nous surpasserions les fibres les plus résistantes du marché."

Les fibres de riz flexibles ont une résistance à la traction de 4,2 gigapascals (GPa), contre 3,6 GPa pour les fibres de Kevlar. Les fibres nécessitent de longs nanotubes à haute cristallinité; C'est, des réseaux réguliers d'anneaux d'atomes de carbone avec peu de défauts. La solution acide utilisée dans le procédé Rice permet également de réduire les impuretés qui peuvent interférer avec la résistance des fibres et améliore les propriétés métalliques des nanotubes grâce à un dopage résiduel, dit Dewey.

"La durée, ou rapport d'aspect, des nanotubes est la caractéristique déterminante qui détermine les propriétés de nos fibres, " il a dit, noter la surface des nanotubes de 12 micromètres utilisés dans la fibre de riz facilite de meilleures liaisons de van der Waals. "Cela aide également les collaborateurs qui cultivent nos nanotubes à optimiser le traitement de la solution en contrôlant le nombre d'impuretés métalliques du catalyseur et ce que nous appelons les impuretés de carbone amorphe."

Les chercheurs ont déclaré que la conductivité des fibres s'est améliorée à 10,9 mégasiemens (millions de siemens) par mètre. "C'est la première fois qu'une fibre de nanotubes de carbone dépasse le seuil des 10 mégasiemens, nous avons donc atteint un nouvel ordre de grandeur pour les fibres de nanotubes, " Dit Dewey. Normalisé pour le poids, il a dit que les fibres de riz atteignent environ 80% de la conductivité du cuivre.

"Mais nous dépassons le fil de platine, ce qui est une grande réussite pour nous, "Taylor a dit, "et la conductivité thermique de la fibre est meilleure que n'importe quel métal et n'importe quelle fibre synthétique, à l'exception des fibres de graphite de brai."

L'objectif du laboratoire est de rendre la production de fibres de qualité supérieure suffisamment efficace et peu coûteuse pour être incorporée par l'industrie à grande échelle, dit Dewey. Le traitement en solution est courant dans la production d'autres types de fibres, dont Kevlar, afin que les usines puissent utiliser des processus familiers sans réoutillage majeur.

"L'avantage de notre méthode est qu'elle est essentiellement plug-and-play, " Il a dit. " Il est intrinsèquement évolutif et correspond à la façon dont les fibres synthétiques sont déjà fabriquées. "

"Il existe une notion selon laquelle les nanotubes de carbone ne pourront jamais obtenir toutes les propriétés que les gens réclament depuis des décennies, " a déclaré Taylor. "Mais nous réalisons de bons gains d'année en année. Ce n'est pas facile, mais nous pensons toujours que cette technologie va changer le monde."

Les co-auteurs de l'article sont l'ancien élève de Rice, Robert Headrick; les étudiants diplômés Natsumi Komatsu et Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, un professeur adjoint de génie mécanique; et Junichiro Kono, le professeur Karl F. Hasselmann en ingénierie et professeur d'ingénierie électrique et informatique, de physique et d'astronomie, et de la science des matériaux et de la nano-ingénierie. Pasquali est l'A.J. Professeur Hartsook de génie chimique et biomoléculaire, de la chimie et de la science des matériaux et de la nano-ingénierie.