Las fibras de nanotubos de carbono fabricadas en la Universidad de Rice son ahora más fuertes que el Kevlar y están aumentando la conductividad del cobre.

El laboratorio Rice del ingeniero químico y biomolecular Matteo Pasquali informó en Carbón ha desarrollado sus fibras más fuertes y conductoras hasta el momento, hecho de nanotubos de carbono largos mediante un proceso de hilado en húmedo.

En el nuevo estudio dirigido por los estudiantes graduados de Rice Lauren Taylor y Oliver Dewey, los investigadores observaron que las fibras de nanotubos de carbono hilados en húmedo, lo que podría conducir a avances en una gran cantidad de aplicaciones médicas y de materiales, han duplicado su resistencia y conductividad cada tres años, una tendencia que se extiende por casi dos décadas.

Si bien es posible que eso nunca imite la ley de Moore, que estableció un punto de referencia para los avances en chips de computadora durante décadas, Pasquali y su equipo están haciendo su parte para avanzar en el método que fueron pioneros para fabricar fibras de nanotubos de carbono.

Las fibras filiformes del laboratorio, con decenas de millones de nanotubos en sección transversal, se están estudiando para su uso como puentes para reparar corazones dañados, como interfaces eléctricas con el cerebro, para uso en implantes cocleares, como antenas flexibles y para aplicaciones automotrices y aeroespaciales.

También forman parte del Carbon Hub, una iniciativa de investigación multiuniversitaria lanzada en 2019 por Rice con el apoyo de Shell, Prysmian y Mitsubishi para crear un futuro sin emisiones.

"Las fibras de nanotubos de carbono han sido promocionadas durante mucho tiempo por sus posibles propiedades superiores, ", Dijo Pasquali." Dos décadas de investigación en Rice y en otros lugares han hecho realidad este potencial. Ahora necesitamos un esfuerzo mundial para aumentar la eficiencia de la producción para que estos materiales puedan fabricarse con cero emisiones de dióxido de carbono y potencialmente con la producción simultánea de hidrógeno limpio ".

"El objetivo de este artículo es presentar las propiedades récord de las fibras producidas en nuestro laboratorio, Taylor dijo. Estas mejoras significan que ahora estamos superando al Kevlar en términos de resistencia, lo que para nosotros es un gran logro. Con solo otra duplicación superaríamos las fibras más fuertes del mercado ".

Las fibras de arroz flexibles tienen una resistencia a la tracción de 4,2 gigapascales (GPa), en comparación con 3,6 GPa para las fibras de Kevlar. Las fibras requieren nanotubos largos con alta cristalinidad; es decir, matrices regulares de anillos de átomos de carbono con pocos defectos. La solución ácida utilizada en el proceso del arroz también ayuda a reducir las impurezas que pueden interferir con la resistencia de la fibra y mejora las propiedades metálicas de los nanotubos a través del dopaje residual. Dijo Dewey.

"La longitud, o relación de aspecto, de los nanotubos es la característica definitoria que impulsa las propiedades en nuestras fibras, " él dijo, observar el área de superficie de los nanotubos de 12 micrómetros utilizados en la fibra de arroz facilita mejores enlaces de van der Waals. "También ayuda a que los colaboradores que cultivan nuestros nanotubos optimicen el procesamiento de la solución al controlar la cantidad de impurezas metálicas del catalizador y lo que llamamos impurezas de carbono amorfo".

Los investigadores dijeron que la conductividad de las fibras ha mejorado a 10,9 megasiemens (millones de siemens) por metro. "Esta es la primera vez que una fibra de nanotubos de carbono supera el umbral de los 10 megasiemens, así que hemos logrado un nuevo orden de magnitud para las fibras de nanotubos, "Dijo Dewey. Normalizado por peso, Dijo que las fibras de arroz alcanzan alrededor del 80% de la conductividad del cobre.

"Pero estamos superando el alambre de platino, que es un gran logro para nosotros, "Taylor dijo, "y la conductividad térmica de la fibra es mejor que la de cualquier metal y cualquier fibra sintética, excepto las fibras de grafito de brea ".

El objetivo del laboratorio es hacer que la producción de fibras superiores sea lo suficientemente eficiente y económica como para que la industria las incorpore a gran escala. Dijo Dewey. El procesamiento de soluciones es común en la producción de otros tipos de fibras, incluido Kevlar, para que las fábricas pudieran utilizar procesos familiares sin necesidad de grandes modificaciones.

"El beneficio de nuestro método es que es esencialmente plug-and-play, ", dijo." Es inherentemente escalable y encaja con la forma en que ya se fabrican las fibras sintéticas ".

"Existe la idea de que los nanotubos de carbono nunca podrán obtener todas las propiedades que la gente ha estado promocionando durante décadas, Taylor dijo. "Pero estamos logrando buenos avances año tras año. No es fácil, pero todavía creemos que esta tecnología va a cambiar el mundo ".

Los coautores del artículo son Robert Headrick, ex alumno de Rice; los estudiantes de posgrado Natsumi Komatsu y Nicolas Márquez Peraca; Geoff Wehmeyer, profesor asistente de ingeniería mecánica; y Junichiro Kono, el profesor Karl F. Hasselmann de Ingeniería y profesor de ingeniería eléctrica e informática, de física y astronomía, y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Pasquali es el A.J. Profesor Hartsook de ingeniería química y biomolecular, de la química y de la ciencia de los materiales y la nanoingeniería.