Para hacer continuo, fibras de nanotubos de carbono fuertes y conductoras, es mejor empezar con nanotubos largos, según científicos de la Universidad de Rice.

El laboratorio Rice del químico e ingeniero químico Matteo Pasquali, que demostró su método pionero para convertir nanotubos de carbono en fibras en 2013, ha avanzado en el arte de fabricar materiales basados ​​en nanotubos con dos nuevos artículos en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados de ACS .

El primer documento caracterizó 19 lotes de nanotubos producidos por tantos fabricantes para determinar qué características de los nanotubos producen las fibras más conductoras y resistentes para su uso en la industria aeroespacial a gran escala. electrónica de consumo y aplicaciones textiles.

Los investigadores determinaron que la relación de aspecto de los nanotubos (largo versus ancho) es un factor crítico, como es la pureza general del lote. Encontraron los diámetros de los tubos, El número de paredes y la calidad cristalina no son tan importantes para las propiedades del producto.

Pasquali dijo que si bien se sabía que la relación de aspecto de los nanotubos influía en las propiedades de la fibra, este es el primer trabajo sistemático para establecer la relación entre una amplia gama de muestras de nanotubos. Los investigadores descubrieron que tanto los nanotubos más largos como los más cortos podrían procesarse, y que la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica aumentaron al mismo tiempo.

Las mejores fibras tenían una resistencia a la tracción promedio de 2,4 gigapascales (GPa) y una conductividad eléctrica de 8,5 megasiemens por metro. alrededor del 15 por ciento de la conductividad del cobre. El aumento de la longitud de los nanotubos durante la síntesis proporcionará un camino hacia nuevas mejoras en las propiedades, Dijo Pasquali.

El segundo artículo se centró en la purificación de fibras producidas por el método del catalizador flotante para su uso en películas y aerogeles. Este proceso es rápido, eficiente y rentable a escala media y puede producir el hilado directo de fibras de nanotubos de alta calidad; sin embargo, deja impurezas, incluyendo partículas de catalizador metálico y trozos de carbono sobrante, permite un menor control de la estructura de la fibra y limita las oportunidades de escalado, Dijo Pasquali.

"Ahí es donde convergen estos dos artículos, ", dijo." Básicamente, hay dos formas de hacer fibras de nanotubos. En uno, haces los nanotubos y luego los haces girar en fibras, que es lo que hemos desarrollado en Rice. En el otro, desarrollado en la Universidad de Cambridge, haces nanotubos en un reactor y sintonizas el reactor de modo que, al final, puede extraer los nanotubos directamente como fibras.

"Está claro que esas fibras hiladas directamente incluyen nanotubos más largos, por lo que hay interés en incluir los tubos en esas fibras como fuente de material para nuestro método de hilado, ", Dijo Pasquali." Este trabajo es un primer paso hacia ese objetivo ".

El proceso del reactor desarrollado hace una década por el científico de materiales Alan Windle de la Universidad de Cambridge produce los nanotubos largos y fibras necesarios en un solo paso. pero las fibras deben purificarse, Dijo Pasquali. Investigadores de Rice y la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un método oxidativo simple para limpiar las fibras y hacerlas utilizables para una gama más amplia de aplicaciones.

Los laboratorios purificaron muestras de fibra en un horno, primero quemando las impurezas de carbono en el aire a 500 grados Celsius (932 grados Fahrenheit) y luego sumergiéndolos en ácido clorhídrico para disolver las impurezas del catalizador de hierro.

Las impurezas en las fibras resultantes se redujeron al 5 por ciento del material, lo que los hizo solubles en ácidos. Luego, los investigadores utilizaron la solución de nanotubos para hacer conductores, películas delgadas transparentes.

"Existe un gran potencial para que estas técnicas dispares se combinen para producir fibras superiores y la tecnología se amplíe para uso industrial, "dijo el coautor Hai Minh Duong, un profesor asistente de NUS de ingeniería mecánica. "El método del catalizador flotante puede producir varios tipos de nanotubos con un buen control de la morfología con bastante rapidez. Los filamentos de nanotubos se pueden recolectar directamente de su aerogel formado en el reactor. Estos filamentos de nanotubos pueden luego purificarse y retorcerse en fibras utilizando la técnica de humectación desarrollada por el grupo Pasquali ".

Pasquali señaló que la colaboración entre Rice y Singapur representa una convergencia de otro tipo. "Esta puede ser la primera vez que alguien de la línea de hilado de fibra de Cambridge (Duong fue investigador postdoctoral en el laboratorio de Windle) y la línea de hilado de fibra de Rice han convergido, ", dijo." Estamos trabajando juntos para probar materiales fabricados en el proceso de Cambridge y adaptarlos al proceso de Rice ".