¿Qué vincula las espadas damasquinadas legendariamente afiladas del pasado con la electrónica flexible y el cableado eléctrico de alto rendimiento del futuro? Todos ellos deben sus notables propiedades a diferentes formas estructurales de carbono.

Las espadas más mortíferas de la historia, los sables `` damascenos '' forjados en Oriente Medio entre los siglos XIII y XVIII, eran tan afiladas que podían cortar la seda que caía. así lo dice la leyenda. Se cree que sus asombrosas cualidades provienen de una combinación de impurezas específicas en el mineral de hierro y cuán calientes y durante cuánto tiempo fueron quemadas, un proceso que algunos científicos creen que puede haber creado involuntariamente nanotubos de carbono (CNT) dentro de ellos.

Estos delgados Los tubos huecos tienen solo un átomo de carbono de espesor. Como su primo de carbono, grafeno - en el que los átomos se encuentran planos, en una hoja bidimensional:se encuentran entre los más fuertes, materiales más ligeros y flexibles conocidos.

"Siglos de avance rápido, "dijo el Dr. Stephan Hofmann del Departamento de Ingeniería, "y ahora nos damos cuenta de que hay toda una familia de estas extraordinarias formas de origami de carbono ... y cómo hacerlas". De hecho, la Universidad tiene más de 25 años de experiencia de vanguardia en nanotecnología de carbono, del diamante a los nanotubos, y desde polímeros conductores hasta carbono tipo diamante y grafeno.

Lo que hace que las nanoformas de carbono como el grafeno y los CNT sean tan interesantes son sus propiedades eléctricas y térmicas. Su uso potencial en aplicaciones como cableado eléctrico más ligero, baterías más delgadas, materiales de construcción más fuertes y dispositivos flexibles podrían tener un impacto transformador en la energía, industrias del transporte y de la salud. Como resultado, La inversión por un total de millones de libras está respaldando la investigación y el desarrollo de la investigación basada en el carbono en toda la Universidad.

"Pero todos los superlativos atribuidos a los materiales se refieren a un individuo, atómicamente perfecto, nanotubos o escamas de grafeno, "Añadió Hofmann." El elefante frecuentemente fotografiado sostenido por una hoja de grafeno personifica las expectativas a menudo no realistas. El desafío sigue siendo lograr una alta calidad a gran escala y a bajo costo, e interconectar e integrar los materiales en los dispositivos ".

Estos son los tipos de desafíos que los investigadores de los Departamentos de Ingeniería, Ciencia de Materiales y Metalurgia, Física y Química, y el Cambridge Graphene Centre han estado trabajando para superarlo.

Profesor Alan Windle del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia, por ejemplo, ha estado utilizando un proceso de deposición de vapor químico para 'hilar' fibras muy fuertes y resistentes hechas completamente de CNT. Los nanotubos forman humo en el reactor pero, porque están enredados y son elásticos, las fibras se pueden enrollar continuamente fuera del reactor como nano hilo de azúcar. La textura de hilo de las fibras les confiere una extraordinaria dureza y resistencia al corte, haciéndolos alternativas prometedoras a las fibras de carbono o fibras de polímero de alto rendimiento como Kevlar, así como para la construcción de polímeros reforzados con fibra a medida utilizados en aplicaciones aeroespaciales y deportivas.

Es en el frente eléctrico donde afrontan su mayor desafío, como explicó Windle:"El proceso de fabricación se está ampliando a través de una filial de Cambridge, Q-Flo; sin embargo, La conductividad eléctrica es el próximo gran desafío para las fibras CNT en el laboratorio. Entender y desarrollar la fibra como reemplazo de los conductores de cobre será un cambio mundial, con enormes beneficios ".

En 2013, El colega de Windle, el Dr. Krzysztof Koziol, logró fabricar cables eléctricos hechos completamente de fibras CNT y desarrollar una aleación que puede soldar cables de carbono al metal. posibilitando la incorporación de cables CNT en circuitos convencionales. El equipo ahora fabrica cables que van desde unos pocos micrómetros hasta unos pocos milímetros de diámetro a una velocidad de hasta 20 metros por minuto, lo que no es poca cosa si se considera que cada CNT es diez mil veces más estrecho que un cabello humano.

Con financiación de la Royal Society y el European Research Council (ERC), la investigación tiene como objetivo el uso de CNT para reemplazar el cobre y el aluminio en el cableado eléctrico doméstico, Líneas aéreas de transmisión de energía y aeronaves. Los CNT llevan más corriente, pierden menos energía en calor y no requieren extracción de minerales de la tierra.

Es más, pueden fabricarse a partir de gases de efecto invernadero; El equipo de Koziol está trabajando con la empresa spin-out FGV Cambridge Nanosystems para convertirse en la primera empresa del mundo en producir CNT y grafeno de alta calidad directamente a partir de gas natural o biogás contaminado. La empresa ya está operando a escala industrial, con grafeno de alta pureza que se produce a 1 kg por hora. "El objetivo es producir materiales de alta calidad que se puedan implementar directamente en nuevos dispositivos, o utilizado para mejorar otros materiales, como el vidrio, metal o polímeros, "
dijo Koziol.

Trabajar directamente con la industria será clave para acelerar la transición del laboratorio a la fábrica para nuevos materiales. Hofmann está liderando un gran esfuerzo para desarrollar la tecnología de fabricación y procesamiento integrado para CNT, grafeno y nanomateriales relacionados, con financiación del ERC y del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), y en colaboración con una red de socios industriales.

"El campo está en una etapa muy emocionante, " él dijo, "ahora, no solo podemos 'ver' y resolver sus intrincadas estructuras, pero las nuevas técnicas de caracterización nos permiten tomar videos en tiempo real de cómo se ensamblan, átomo por átomo. Estamos comenzando a comprender qué rige su crecimiento y cómo se comportan en entornos industrialmente relevantes. Esto nos permite controlar mejor sus propiedades, alineación, ubicación e interfaces con otros materiales, que es clave para liberar su potencial comercial ".

Para aplicaciones de alta gama en la industria de la electrónica y la fotónica, lograr este nivel de control no solo es deseable sino una necesidad. La capacidad de producir carbono de forma controlable en sus muchas formas estructurales amplía la "cartera de materiales" que un ingeniero moderno tiene a su disposición. Con películas o estructuras de carbono que ya se encuentran en productos como discos duros, hojas de afeitar y baterías de iones de litio, el uso industrial de CNT se está generalizando cada vez más, impulsado, por ejemplo, por la demanda de nuevas tecnologías como dispositivos flexibles y nuestra necesidad de cosechar, convertir y almacenar energía de manera más eficiente.

Profesor Andrea Ferrari, Director del Cambridge Graphene Centre y programa de formación de doctorado, que ha sido financiado a través de una subvención de £ 17 millones del EPSRC, explicó:"La gente ahora puede producir grafeno por tonelada, no es un problema. El desafío es hacer coincidir las propiedades del grafeno que se produce con la aplicación final. Nuestras instalaciones y equipos han sido seleccionados para promover la alineación con la industria; tenemos colaboraciones con más de 20 empresas que comparten nuestra agenda de hacer avanzar las aplicaciones de la vida real, y muchos más están discutiendo su participación en nuestras actividades ".

Cambridge ha sido pionera en la ingeniería y la tecnología del grafeno desde el principio y, con múltiples spin-offs, se ha convertido en un centro de innovación y fabricación de grafeno. El Cambridge Graphene Centre tiene como objetivo mejorar las técnicas de fabricación de grafeno y materiales relacionados, así como explorar aplicaciones en las áreas de almacenamiento de energía y dispositivos de recolección, electrónica de alta frecuencia, fotónica, electrónica flexible y portátil, y compuestos. El grafeno también es el foco de la financiación europea a gran escala:el Graphene Flagship, un 10 años paneuropeo, En 2013 se lanzó un programa de ciencia y tecnología de mil millones de euros. Ferrari fue uno de los investigadores clave que prepararon la propuesta. ha liderado el desarrollo de la hoja de ruta de ciencia y tecnología para el proyecto, y ahora preside la Junta Ejecutiva de Flagship.

Ahora, ha comenzado la construcción de una instalación a medida de £ 12,9 millones que albergará el Cambridge Graphene Centre, con espacios adicionales para electrónica de gran superficie. La instalación debe abrir a fines de la primavera de 2015.

"Reconocemos que aún queda mucho por hacer antes de que la promesa inicial se convierta en realidad, pero ahora hay grandes oportunidades, ", dijo Ferrari." Estamos al comienzo de un viaje. No sabemos el resultado final, pero el potencial del grafeno y los materiales relacionados es tal que tiene mucho sentido hacer un gran esfuerzo en esto desde el principio ".