(Phys.org) —El último avance en nanotecnología de la Universidad de Rice se llevó a cabo durante más de 10 años, pero aun así llegó con un shock. Científicos de Rice, la firma holandesa Teijin Aramid, La Fuerza Aérea de los Estados Unidos y el Instituto Technion de Israel revelaron esta semana una nueva fibra de nanotubos de carbono (CNT) que se ve y actúa como hilo textil y conduce la electricidad y el calor como un alambre de metal. En el número de esta semana de Ciencias , los investigadores describen un proceso escalable industrialmente para fabricar fibras similares a hilos, que superan a los materiales de alto rendimiento disponibles comercialmente de varias maneras.

"Por fin tenemos una fibra de nanotubos con propiedades que no existen en ningún otro material, "dijo el investigador principal Matteo Pasquali, profesor de ingeniería química y biomolecular y química en Rice. "Parece hilo de algodón negro, pero se comporta tanto como alambres de metal como como fibras de carbono fuertes".

El equipo de investigación incluye académicos, científicos gubernamentales e industriales de Rice; Sede de Teijin Aramid en Arnhem, Los países bajos; el Instituto de Tecnología Technion-Israel en Haifa, Israel; y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) en Dayton, Ohio.

"Las nuevas fibras CNT tienen una conductividad térmica cercana a la de las mejores fibras de grafito pero con una conductividad eléctrica 10 veces mayor, "dijo el coautor del estudio, Marcin Otto, gerente de desarrollo comercial en Teijin Aramid. "Las fibras de grafito también son frágiles, mientras que las nuevas fibras CNT son tan flexibles y resistentes como un hilo textil. Esperamos que esta combinación de propiedades dé lugar a nuevos productos con capacidades únicas para la industria aeroespacial, automotor, mercados médicos y de ropa inteligente ".

Las fenomenales propiedades de los nanotubos de carbono han cautivado a los científicos desde el momento de su descubrimiento en 1991. Los tubos huecos de carbono puro, que son casi tan anchos como una hebra de ADN, son aproximadamente 100 veces más resistentes que el acero y pesan una sexta parte. Las propiedades conductoras de los nanotubos, tanto para la electricidad como para el calor, rivalizan con los mejores conductores metálicos. También pueden servir como semiconductores activados por luz, dispositivos de administración de fármacos e incluso esponjas para absorber el aceite.

Desafortunadamente, los nanotubos de carbono también son la prima donna de los nanomateriales; es difícil trabajar con ellos, a pesar de su exquisito potencial. Para principiantes, Encontrar los medios para producir grandes cantidades de nanotubos llevó casi una década. Los científicos también aprendieron desde el principio que había varias docenas de tipos de nanotubos, cada uno con materiales y propiedades eléctricas únicas; y los ingenieros aún tienen que encontrar la manera de producir un solo tipo. En lugar de, todos los métodos de producción producen una mezcolanza de tipos, a menudo en grupos en forma de bolas de pelo.

La creación de objetos a gran escala a partir de estos grupos de nanotubos ha sido un desafío. Una fibra filiforme que tenga menos de una cuarta parte del grosor de un cabello humano contendrá decenas de millones de nanotubos empaquetados uno al lado del otro. Idealmente, estos nanotubos estarán perfectamente alineados, como lápices en una caja, y bien empaquetados. Algunos laboratorios han explorado medios para hacer crecer tales fibras enteras, pero las tasas de producción de estas fibras en "estado sólido" han demostrado ser bastante lentas en comparación con los métodos de producción de fibras que se basan en un proceso químico llamado "hilado en húmedo". En este proceso, grupos de nanotubos crudos se disuelven en un líquido y se arrojan a través de pequeños orificios para formar largas hebras.

Poco después de llegar a Rice en 2000, Pasquali comenzó a estudiar los métodos de hilado en húmedo de CNT con el fallecido Richard Smalley, un pionero de la nanotecnología y homónimo del Instituto Smalley de Ciencia y Tecnología a Nanoescala de Rice. En 2003, dos años antes de su prematura muerte, Smalley trabajó con Pasquali y sus colegas para crear las primeras fibras de nanotubos puros. El trabajo estableció un proceso de hilado en húmedo de importancia industrial para nanotubos que era análogo a los métodos utilizados para crear fibras de aramida de alto rendimiento, como Twaron de Teijin, que se utilizan en chalecos antibalas y otros productos. Pero era necesario perfeccionar el proceso. Las fibras no eran muy fuertes ni conductoras, debido en parte a los huecos y la desalineación de los millones de nanotubos en su interior.

"Lograr un empaquetamiento y una alineación muy altos de los nanotubos de carbono en las fibras es fundamental, "dijo el coautor del estudio Yeshayahu Talmon, director del Instituto de Nanotecnología Russell Berrie de Technion, quien comenzó a colaborar con Pasquali hace unos cinco años.

El siguiente gran avance se produjo en 2009, cuando Talmon, Pasquali y sus colegas descubrieron el primer disolvente verdadero para nanotubos:el ácido clorosulfónico. Por primera vez, los científicos tenían una forma de crear soluciones altamente concentradas de nanotubos, un desarrollo que condujo a una mejor alineación y empaque.

"Hasta ese momento, nadie pensó que la producción de ácido clorosulfónico fuera posible porque reacciona con el agua, ", Dijo Pasquali." Un estudiante de posgrado en mi laboratorio, Natnael Bahabtu, encontró formas sencillas de demostrar que las fibras de CNT podían hilarse a partir de soluciones de ácido clorosulfónico. Eso fue fundamental para este nuevo proceso ".

Pasquali dijo que otros laboratorios habían descubierto que la resistencia y la conductividad de las fibras hiladas también podrían mejorarse si el material de partida, los grupos de nanotubos en bruto, contuviera nanotubos largos con pocos defectos atómicos. En 2010, Pasquali y Talmon comenzaron a experimentar con nanotubos de diferentes proveedores y trabajaron con científicos de AFRL para medir las propiedades eléctricas y térmicas precisas de las fibras mejoradas.

Durante el mismo período, Otto was evaluating methods that different research centers had proposed for making CNT fibers. He envisaged combining Pasquali's discoveries, Teijin Aramid's know-how and the use of long CNTs to further the development of high performance CNT fibers. En 2010, Teijin Aramid set up and funded a project with Rice, and the company's fiber-spinning experts have collaborated with Rice scientists throughout the project.

"The Teijin scientific and technical help led to immediate improvements in strength and conductivity, " Pasquali said.

Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, dijo, "The research showed that the electrical conductivity of the fibers could be tuned and optimized with techniques that were applied after initial production. This led to the highest conductivity ever reported for a macroscopic CNT fiber."

The fibers reported in Ciencias have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, Pasquali said. The specific electrical conductivity of the new fibers is on par with copper, gold and aluminum wires, but the new material has advantages over metal wires.

Por ejemplo, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, Pasquali said.

"Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, " he said. "In many cases, people use metal wires that are far more thick than required for the electrical needs, simply because it's not feasible to produce a thinner wire. Data cables are a particularly good example of this."