Los científicos de la Universidad de Rice están creando soluciones de nanotubos de carbono que actúan como cristales líquidos como un precursor para convertirlos en fuertes, fibras conductoras. Crédito:Grupo Martí
(Phys.org) —La idea misma de fibras hechas de nanotubos de carbono es clara, pero los científicos de la Universidad de Rice los están perfeccionando, literalmente.
Los nanotubos de carbono de pared simple en nuevas fibras creadas en Rice se alinean como un puñado de espaguetis crudos a través de un proceso diseñado por el químico Angel Martí y sus colegas.
La parte complicada según Martí, cuyo laboratorio informó sus resultados este mes en la revista ACS Nano , mantiene separados los nanotubos densamente empaquetados antes de que se unan para formar una fibra.
Dejados a sus propios dispositivos, Los nanotubos de carbono forman grupos que son perfectamente incorrectos para convertirse en el tipo de fuerte, fibras conductoras necesarias para proyectos que van desde la electrónica a nanoescala hasta las redes eléctricas a gran escala.
Investigaciones anteriores en Rice realizadas por el químico e ingeniero químico Matteo Pasquali, un coautor del nuevo artículo, utilizó un proceso de disolución ácida para mantener los nanotubos separados hasta que pudieran convertirse en fibras. Ahora Martí, Pasquali y sus colegas están produciendo fibras "limpias" con el mismo proceso mecánico, pero están comenzando con un tipo diferente de materia prima.
"El grupo de Matteo usó ácido clorosulfónico para protonar la superficie de los nanotubos, "Dijo Martí." Eso les daría una superficie cargada positivamente para que se repelen entre sí en la solución. La técnica que usamos es exactamente la opuesta ".
La fibra de nanotubos de carbono puro tiene potencial para su uso en electrónica a pequeña escala y aplicaciones de energía a gran escala. Crédito:Jeff Fitlow
Un proceso revelado el año pasado por Martí y los autores principales Chengmin Jiang, un estudiante graduado, y Avishek Saha, un alumno de Rice, comienza con la carga negativa de nanotubos de carbono infundiéndolos con potasio, un metal, y convertirlos en una especie de sal conocida como polielectrolito. Luego emplean éteres de corona en forma de jaula para capturar los iones de potasio que de otro modo amortiguarían la capacidad de los nanotubos para repelerse entre sí.
Ponga suficientes nanotubos en una solución de este tipo y quedarán atrapados entre las fuerzas repelentes y la incapacidad de moverse en un entorno abarrotado. Dijo Martí. Se ven obligados a alinearse, una propiedad definitoria de los cristales líquidos, y esto los hace más manejables.
En última instancia, los tubos se unen para formar fibras cuando se extruyen a través de la punta de una aguja. En ese punto, la fuerte fuerza de van der Waals toma el control y une firmemente los nanotubos, Dijo Martí.
Pero para hacer materiales macroscópicos, el equipo de Martí necesitaba empaquetar muchos más nanotubos en la solución que en experimentos anteriores. "A medida que empiece a aumentar la concentración, el número de nanotubos en la fase cristalina líquida se vuelve más abundante que los de la fase isotrópica (desordenada), y eso es exactamente lo que necesitábamos "Dijo Martí.
Los investigadores descubrieron que 40 miligramos de nanotubos por mililitro les daban un gel espeso después de mezclar a alta velocidad y filtrar los grumos grandes que quedaban. "Es como una centrífuga junto con un tambor giratorio, Martí dijo sobre el mecanismo de mezcla:"Produce fuerzas no convencionales en la solución".
Los nanotubos de carbono extruidos en una fibra pura son el producto de un proceso sin ácido inventado en la Universidad de Rice. Crédito:Grupo Martí
La alimentación de este denso gel de nanotubos a través de una estrecha abertura en forma de aguja produjo fibra continua en el equipo del laboratorio de Pasquali. La resistencia y rigidez de las fibras limpias también se acercó a la de las fibras previamente producidas con el proceso a base de ácido de Pasquali. "No hicimos ninguna modificación en su sistema y funcionó a la perfección, "Dijo Martí.
Las fibras del ancho del cabello se pueden tejer en cables más gruesos, y el equipo está investigando formas de mejorar sus propiedades eléctricas dopando los nanotubos con yoduro. "La investigación es básicamente análoga a lo que hace Matteo, "Dijo Martí." Usamos sus herramientas pero le dimos un giro al proceso con una preparación diferente, así que ahora somos los primeros en fabricar fibras limpias de electrolitos de nanotubos de carbono puro. Eso es genial."
Pasquali dijo que el sistema de hilatura funcionó con poca necesidad de adaptación porque la configuración está sellada. "La solución de electrolitos de nanotubos podría protegerse del oxígeno y el agua, que habría provocado la precipitación de los nanotubos, " él dijo.
"Resulta que esto no es espectacular, porque queremos que los nanotubos se precipiten y se peguen entre sí tan pronto como salgan del sistema sellado a través de la aguja. El proceso no fue difícil de controlar, adaptarnos y ampliar una vez que hayamos descubierto la ciencia básica ".
