Un equipo de investigación internacional con sede en la Universidad de Texas en Dallas ha fabricado fibras conductoras de electricidad que se pueden estirar de forma reversible hasta 14 veces su longitud inicial y cuya conductividad eléctrica aumenta 200 veces cuando se estiran.

El equipo de investigación está utilizando las nuevas fibras para fabricar músculos artificiales, así como condensadores cuya capacidad de almacenamiento de energía se multiplica por diez cuando las fibras se estiran. Las fibras y cables derivados de la invención podrían algún día usarse como interconexiones para circuitos electrónicos superelásticos; robots y exoesqueletos de gran alcance; aviones en transformación; sensores de deformación de rango gigante; cables de marcapasos sin fallos; y cables de carga súper elásticos para dispositivos electrónicos.

En un estudio publicado en la edición del 24 de julio de la revista Ciencias , los científicos describen cómo construyeron las fibras envolviendo más ligero que el aire, láminas eléctricamente conductoras de diminutos nanotubos de carbono para formar una vaina en forma de rollo de gelatina alrededor de un núcleo de goma largo.

Las nuevas fibras se diferencian de los materiales convencionales en varios aspectos. Por ejemplo, cuando las fibras convencionales se estiran, el aumento resultante de la longitud y la disminución del área de la sección transversal restringe el flujo de electrones a través del material. Pero incluso un tramo "gigante" de las nuevas fibras conductoras del núcleo de la vaina provoca pocos cambios en su resistencia eléctrica, dijo el Dr. Ray Baughman, autor principal del artículo y director del Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute en UT Dallas.

Una clave del rendimiento de las nuevas fibras elásticas conductoras es la introducción del pandeo en las láminas de nanotubos de carbono. Debido a que el núcleo de caucho se estira a lo largo de su longitud a medida que se envuelven las láminas, cuando la goma envuelta se relaja, las nanofibras de carbono forman una compleja estructura pandeada, lo que permite el estiramiento repetido de la fibra.

"Piense en el pandeo que se produce cuando se comprime un acordeón, lo que hace que el material inelástico del acordeón se estire, "dijo Baughman, la Cátedra Distinguida Robert A. Welch en Química en UT Dallas.

"Hacemos que las vainas inelásticas de nanotubos de carbono de nuestras fibras del núcleo de la vaina sean súper estirables mediante la modulación de hebillas grandes con hebillas pequeñas, de modo que el alargamiento de ambos tipos de hebilla pueda contribuir a la elasticidad. Estas increíbles fibras mantienen la misma resistencia eléctrica, incluso cuando se estira en cantidades gigantes, porque los electrones pueden viajar sobre una vaina tan jerárquicamente abrochada tan fácilmente como pueden atravesar una vaina recta ".

Dr. Zunfeng Liu, autor principal del estudio e investigador asociado en el NanoTech Institute, dijo que la estructura de las fibras del núcleo de la vaina "tiene una complejidad aún más interesante e importante". Las hebillas se forman no solo a lo largo de la fibra, sino también alrededor de su circunferencia.

"La contracción de la circunferencia de la fibra durante el estiramiento de la fibra provoca este segundo tipo de pandeo jerárquico reversible alrededor de su circunferencia, incluso cuando el pandeo en la dirección de la fibra desaparece temporalmente, "Dijo Liu." Esta nueva combinación de pandeo en dos dimensiones evita la desalineación de las direcciones del núcleo de caucho y nanotubos, permitiendo que la resistencia eléctrica de la fibra del núcleo de la funda sea insensible al estiramiento ".

Añadiendo una fina capa de caucho a las fibras del núcleo de la vaina y luego otra vaina de nanotubos de carbono, Los investigadores hicieron sensores de tensión y músculos artificiales en los que las vainas de nanotubos dobladas sirven como electrodos y la fina capa de goma es un dieléctrico. resultando en un condensador de fibra. Estos condensadores de fibra exhibieron un cambio de capacitancia del 860 por ciento cuando la fibra se estiró un 950 por ciento.

"Ningún sensor de deformación basado en materiales disponible actualmente puede operar en un rango de deformación casi tan grande, "Dijo Liu.

La adición de torsión a estas fibras de doble vaina resultó en Músculos artificiales de torsión o rotación accionados eléctricamente que podrían usarse para rotar espejos en circuitos ópticos o bombear líquidos en dispositivos en miniatura utilizados para análisis químicos, dijo el Dr. Carter Haines BS'11, PhD'15, investigador asociado del NanoTech Institute y autor del artículo.

En el laboratorio, Nan Jiang, un investigador asociado en el NanoTech Institute, demostró que los elastómeros conductores se pueden fabricar en diámetros que van desde los muy pequeños, alrededor de 150 micrones, o el doble del ancho de un cabello humano, hasta tamaños mucho más grandes, dependiendo del tamaño del núcleo de goma. "Las fibras pequeñas individuales también se pueden combinar en grandes manojos y entrelazarse como hilo o cuerda, " ella dijo.

"Esta tecnología podría ser adecuada para una rápida comercialización, "dijo la Dra. Raquel Ovalle-Robles MS'06 PhD'08, autor del artículo y estratega jefe de investigación y propiedad intelectual del Centro de Nanociencia y Tecnología de Lintec of America.

"Los núcleos de caucho utilizados para estas fibras de núcleo de revestimiento son económicos y fácilmente disponibles, ", dijo." El único componente exótico es la hoja de aerogel de nanotubos de carbono utilizada para la vaina de la fibra ".

El año pasado, UT Dallas autorizó a Lintec of America un proceso que el equipo de Baughman desarrolló para transformar nanotubos de carbono en estructuras a gran escala, como sábanas. Lintec abrió su Centro de Nano-Ciencia y Tecnología en Richardson, Texas, a menos de 5 millas del campus de UT Dallas, para fabricar láminas de aerogel de nanotubos de carbono para diversas aplicaciones.