Imágenes de microscopio electrónico de barrido de tejidos de nanotubos de carbono con arquitectura (CNT) fabricados en Illinois. El esquema de colores muestra la arquitectura de los CNT tejidos a sí mismos, y el recuadro muestra un SEM de alta resolución de la interdifusión de CNT entre los diferentes parches debido al empalme capilar. Crédito:Universidad de Illinois
Reflejando la estructura de los compuestos que se encuentran en la naturaleza y el mundo antiguo, Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han sintetizado textiles delgados de nanotubos de carbono (CNT) que exhiben una alta conductividad eléctrica y un nivel de dureza que es aproximadamente cincuenta veces más alto que las películas de cobre. utilizado actualmente en electrónica.
"La robustez estructural de las películas metálicas delgadas tiene una importancia significativa para el funcionamiento confiable de la piel inteligente y la electrónica flexible, incluidos los sensores de monitoreo de la salud biológica y estructural, "explicó Sameh Tawfick, profesor asistente de ciencias mecánicas e ingeniería en Illinois. "Las láminas de nanotubos de carbono alineados son adecuadas para una amplia gama de aplicaciones que van desde la micro a la macroescala, incluidos los sistemas microelectromecánicos (MEMS), electrodos de supercondensador, cables eléctricos, músculos artificiales, y compuestos multifuncionales.
"Hasta donde sabemos, Este es el primer estudio que aplica los principios de la mecánica de la fractura para diseñar y estudiar la tenacidad de los textiles CNT nanoarquitecturados. Se ha demostrado que el marco teórico de la mecánica de la fractura es muy robusto para una variedad de materiales lineales y no lineales ".
Nanotubos de carbon, que existen desde principios de los noventa, han sido aclamados como un "material maravilloso" para numerosas aplicaciones de nanotecnología, y con razón. Estas diminutas estructuras cilíndricas hechas de láminas de grafeno envueltas tienen un diámetro de unos pocos nanómetros, unas 1000 veces más delgadas que un cabello humano. todavía, un solo nanotubo de carbono es más fuerte que el acero y las fibras de carbono, más conductivo que el cobre, y más ligero que el aluminio.
Sin embargo, ha resultado realmente difícil construir materiales, como telas o películas que demuestren estas propiedades en escalas de centímetros o metros. El desafío radica en la dificultad de ensamblar y tejer CNT, ya que son tan pequeños, y su geometría es muy difícil de controlar.
Ejemplo de curva de tensión-deformación resultante de la prueba mecánica de un tejido de nanotubos de carbono. El gráfico inferior muestra la capacidad de los investigadores para ajustar el comportamiento mecánico, a saber, resistencia (fuerza máxima a la rotura) y módulo (resistencia al estiramiento) mediante la variación de la arquitectura textil. Crédito:Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
"El estudio de la energía de fractura de los textiles CNT nos llevó a diseñar estas películas extremadamente resistentes, "declaró Yue Liang, un ex estudiante graduado del grupo de Investigación de Materiales Cinéticos y autor principal del artículo, "Textil conductivo resistente con nanoarquitectura fabricado mediante empalme capilar de nanotubos de carbono, "apareciendo en Materiales de ingeniería avanzada . Hasta donde sabemos, este es el primer estudio de la energía de fractura de los textiles CNT.
Comenzando con el catalizador depositado sobre un sustrato de óxido de silicio, Se sintetizaron nanotubos de carbono alineados verticalmente mediante deposición química de vapor en forma de líneas paralelas de 5 μm de ancho, 10 μm de longitud, y alturas de 20-60 µm.
"El patrón de catalizador escalonado está inspirado en el motivo de diseño de ladrillo y mortero que se ve comúnmente en materiales naturales duros como el hueso, nácar, la esponja de mar de cristal, y bambú, "Agregó Liang." Buscando formas de engrapar los CNT juntos, nos inspiramos en el proceso de empalme desarrollado por los antiguos egipcios 5, Hace 000 años para fabricar textiles de lino. Probamos varios enfoques mecánicos, incluido el micro-laminado y la compresión mecánica simple para reorientar simultáneamente los nanotubos, luego, finalmente, utilizamos las fuerzas capilares autoimpulsadas para engrapar los CNT juntos ".
"Este trabajo combina una cuidadosa síntesis, y delicada experimentación y modelado, ", Dijo Tawfick." Los componentes electrónicos flexibles están sujetos a flexiones y estiramientos repetidos, lo que podría causar su falla mecánica. Este nuevo textil CNT, con encapsulado flexible simple en una matriz de elastómero, se puede utilizar en textiles inteligentes, pieles inteligentes, y una variedad de electrónica flexible. Debido a su dureza extremadamente alta, representan un material atractivo, que puede reemplazar las películas delgadas de metal para mejorar la confiabilidad del dispositivo ".
Además de Liang y Tawfick, los coautores incluyen a David Sias y Ping Ju Chen.
