p (Phys.org) —O mais recente avanço da nanotecnologia da Rice University levou mais de 10 anos para ser feito, mas ainda assim veio com um choque. Cientistas da Rice, a empresa holandesa Teijin Aramid, a Força Aérea dos EUA e o Instituto Technion de Israel revelaram esta semana uma nova fibra de nanotubo de carbono (CNT) que se parece e age como um fio têxtil e conduz eletricidade e calor como um fio de metal. Na edição desta semana de Ciência , os pesquisadores descrevem um processo industrialmente escalonável para fazer as fibras semelhantes a fios, que superam os materiais de alto desempenho disponíveis no mercado de várias maneiras. p “Finalmente temos uma fibra de nanotubo com propriedades que não existem em nenhum outro material, "disse o pesquisador principal Matteo Pasquali, professor de engenharia química e biomolecular e química na Rice. "Parece fio de algodão preto, mas se comporta tanto como fios de metal quanto como fibras de carbono fortes."

p A equipe de pesquisa inclui acadêmicos, cientistas industriais e governamentais de Rice; Sede da Teijin Aramid em Arnhem, Os Países Baixos; o Instituto de Tecnologia Technion-Israel em Haifa, Israel; e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) em Dayton, Ohio.

p “As novas fibras de CNT têm uma condutividade térmica próxima das melhores fibras de grafite, mas com condutividade elétrica 10 vezes maior, "disse o co-autor do estudo, Marcin Otto, gerente de desenvolvimento de negócios da Teijin Aramid. "As fibras de grafite também são quebradiças, enquanto as novas fibras CNT são tão flexíveis e resistentes quanto um fio têxtil. Esperamos que esta combinação de propriedades levará a novos produtos com recursos exclusivos para a indústria aeroespacial, automotivo, mercados de roupas médicas e inteligentes. "

p As propriedades fenomenais dos nanotubos de carbono cativaram os cientistas desde o momento de sua descoberta em 1991. Os tubos ocos de carbono puro, que são quase tão largos quanto uma fita de DNA, são cerca de 100 vezes mais fortes do que o aço, com um sexto do peso. As propriedades condutoras dos nanotubos - tanto para eletricidade quanto para calor - rivalizam com os melhores condutores de metal. Eles também podem servir como semicondutores ativados por luz, dispositivos de entrega de drogas e até esponjas para absorver o óleo.

p Infelizmente, os nanotubos de carbono também são a prima donna dos nanomateriais; são difíceis de trabalhar, apesar de seu potencial primoroso. Para iniciantes, Encontrar os meios para produzir grandes quantidades de nanotubos levou quase uma década. Os cientistas também aprenderam cedo que havia várias dezenas de tipos de nanotubos - cada um com um material e propriedades elétricas exclusivas; e os engenheiros ainda precisam encontrar uma maneira de produzir apenas um tipo. Em vez de, todos os métodos de produção geram uma mistura de tipos, frequentemente em aglomerados semelhantes a bolas de pelo.

p Criar objetos em grande escala a partir desses aglomerados de nanotubos tem sido um desafio. Uma fibra semelhante a um fio com menos de um quarto da espessura de um cabelo humano conterá dezenas de milhões de nanotubos compactados lado a lado. Idealmente, esses nanotubos ficarão perfeitamente alinhados - como lápis em uma caixa - e bem embalados. Alguns laboratórios exploraram meios de cultivar tais fibras inteiras, mas as taxas de produção dessas fibras de "estado sólido" se mostraram bastante lentas em comparação com os métodos de produção de fibra que dependem de um processo químico chamado "fiação úmida". Nesse processo, aglomerados de nanotubos crus são dissolvidos em um líquido e esguichados através de pequenos orifícios para formar longos fios.

p Pouco depois de chegar a Rice em 2000, Pasquali começou a estudar métodos de fiação úmida CNT com o falecido Richard Smalley, um pioneiro da nanotecnologia e homônimo do Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology de Rice. Em 2003, dois anos antes de sua morte prematura, Smalley trabalhou com Pasquali e colegas para criar as primeiras fibras de nanotubos puras. O trabalho estabeleceu um processo de fiação úmida industrialmente relevante para nanotubos que era análogo aos métodos usados ​​para criar fibras de aramida de alto desempenho - como Teijin's Twaron - que são usadas em coletes à prova de balas e outros produtos. Mas o processo precisava ser refinado. As fibras não eram muito fortes ou condutoras, devido em parte a lacunas e desalinhamento dos milhões de nanotubos dentro deles.

p "Alcançar um empacotamento e alinhamento muito altos dos nanotubos de carbono nas fibras é fundamental, "disse o co-autor do estudo Yeshayahu Talmon, diretor do Russell Berrie Nanotechnology Institute da Technion, que começou a colaborar com Pasquali há cerca de cinco anos.

p O próximo grande avanço veio em 2009, quando Talmon, Pasquali e seus colegas descobriram o primeiro solvente verdadeiro para os nanotubos - o ácido clorossulfônico. Pela primeira vez, cientistas encontraram uma maneira de criar soluções altamente concentradas de nanotubos, um desenvolvimento que levou a um melhor alinhamento e embalagem.

p "Até aquele momento, ninguém pensava que a centrifugação do ácido clorossulfônico era possível porque ele reage com a água, "Pasquali disse." Um estudante de pós-graduação em meu laboratório, Natnael Bahabtu, encontraram maneiras simples de mostrar que as fibras de CNT poderiam ser fiadas a partir de soluções de ácido clorossulfônico. Isso foi fundamental para este novo processo. "

p Pasquali disse que outros laboratórios descobriram que a força e a condutividade das fibras fiadas também poderiam ser melhoradas se o material inicial - os aglomerados de nanotubos brutos - contivesse nanotubos longos com poucos defeitos atômicos. Em 2010, Pasquali e Talmon começaram a fazer experiências com nanotubos de diferentes fornecedores e trabalhar com cientistas do AFRL para medir as propriedades elétricas e térmicas precisas das fibras melhoradas.

p During the same period, Otto was evaluating methods that different research centers had proposed for making CNT fibers. He envisaged combining Pasquali's discoveries, Teijin Aramid's know-how and the use of long CNTs to further the development of high performance CNT fibers. Em 2010, Teijin Aramid set up and funded a project with Rice, and the company's fiber-spinning experts have collaborated with Rice scientists throughout the project.

p "The Teijin scientific and technical help led to immediate improvements in strength and conductivity, "Pasquali disse.

p Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, disse, "The research showed that the electrical conductivity of the fibers could be tuned and optimized with techniques that were applied after initial production. This led to the highest conductivity ever reported for a macroscopic CNT fiber."

p The fibers reported in Ciência have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, Pasquali disse. The specific electrical conductivity of the new fibers is on par with copper, gold and aluminum wires, but the new material has advantages over metal wires.

p Por exemplo, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, Pasquali disse.

p "Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, "disse ele." Em muitos casos, people use metal wires that are far more thick than required for the electrical needs, simply because it's not feasible to produce a thinner wire. Data cables are a particularly good example of this."