p O que liga as lendárias espadas damascenas do passado com a eletrônica flexível e a fiação elétrica de alto desempenho do futuro? Todos eles devem suas propriedades notáveis ​​a diferentes formas estruturais de carbono. p As espadas mais mortais da história - os sabres 'Damascene' forjados no Oriente Médio entre os séculos 13 e 18 - eram tão afiadas que podiam cortar seda caindo, então a lenda diz. Acredita-se que suas qualidades surpreendentes tenham vindo de uma combinação de impurezas específicas no minério de ferro e de quão quente e por quanto tempo eles foram queimados - um processo que alguns cientistas acreditam ter criado nanotubos de carbono (CNTs) inadvertidamente dentro deles.

p Estes finos, tubos ocos têm apenas um átomo de carbono de espessura. Como seu primo carbono, grafeno - em que os átomos ficam planos, em uma folha bidimensional - eles estão entre os mais fortes, a maioria dos materiais leves e flexíveis conhecidos.

p "Avançando séculos, "disse o Dr. Stephan Hofmann do Departamento de Engenharia, "e agora percebemos que existe uma família inteira dessas extraordinárias formas de origami de carbono ... e como fazê-las." Na verdade, a universidade tem mais de 25 anos de experiência de ponta em nanotecnologia de carbono, de diamante a nanotubos, e de polímeros condutores a carbono tipo diamante e grafeno.

p O que torna as nanoformas de carbono como o grafeno e os CNTs tão interessantes são suas propriedades elétricas e térmicas. Seu uso potencial em aplicações como fiação elétrica mais leve, baterias mais finas, materiais de construção mais fortes e dispositivos flexíveis podem ter um impacto transformador na energia, indústrias de transporte e saúde. Como resultado, investimentos totalizando milhões de libras estão agora sustentando a pesquisa e o desenvolvimento em pesquisas baseadas no carbono em toda a Universidade.

p "Mas todos os superlativos atribuídos aos materiais se referem a um indivíduo, atomicamente perfeito, nanotubo ou floco de grafeno, "Hofmann acrescentou." O elefante frequentemente retratado apoiado por uma folha de grafeno resume as expectativas muitas vezes não realistas. O desafio continua sendo alcançar alta qualidade em grande escala e com baixo custo, e para fazer a interface e integrar os materiais em dispositivos. "

p São estes os tipos de desafios que os investigadores dos Departamentos de Engenharia, Ciência de Materiais e Metalurgia, Física e Quimica, e o Cambridge Graphene Center têm trabalhado para superar.

p Professor Alan Windle do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia, por exemplo, tem usado um processo químico de deposição de vapor para 'fiar' fibras muito fortes e duras feitas inteiramente de CNTs. Os nanotubos formam fumaça no reator, mas, porque eles são emaranhados e elásticos, as fibras podem ser desenroladas continuamente para fora do reator, como o fio dental nano-doce. A textura semelhante a fio das fibras confere-lhes extraordinária tenacidade e resistência ao corte, tornando-os alternativas promissoras para fibras de carbono ou fibras de polímero de alto desempenho como Kevlar, bem como para a construção de polímeros reforçados com fibra sob medida, usados ​​em aplicações aeroespaciais e esportivas.

p É na frente elétrica que eles enfrentam seu maior desafio, como Windle explicou:"O processo de manufatura está sendo ampliado por meio de um spin-out de Cambridge, Q-Flo; Contudo, a condutividade elétrica é o próximo grande desafio para as fibras de CNT em laboratório. Compreender e desenvolver a fibra como um substituto para os condutores de cobre mudará o mundo, com enormes benefícios. "

p Em 2013, O colega de Windle, Dr. Krzysztof Koziol, conseguiu fazer cabeamento elétrico feito inteiramente de fibras CNT e desenvolver uma liga que pode soldar fios de carbono a metal, tornando possível incorporar fios CNT em circuitos convencionais. A equipe agora faz fios que variam de alguns micrômetros a alguns milímetros de diâmetro a uma taxa de até 20 metros por minuto - um feito nada pequeno quando você considera que cada CNT é dez mil vezes mais estreito do que um fio de cabelo humano.

p Com financiamento da Royal Society e do European Research Council (ERC), a pesquisa visa usar CNTs para substituir cobre e alumínio na fiação elétrica doméstica, linhas aéreas de transmissão de energia e aeronaves. CNTs carregam mais corrente, perdem menos energia no calor e não requerem extração de minerais da terra.

p Além disso, eles podem ser feitos de gases de efeito estufa; A equipe de Koziol está trabalhando com a empresa spin-out FGV Cambridge Nanosystems para se tornar a primeira empresa do mundo a produzir CNTs de alto grau e grafeno diretamente de gás natural ou biogás contaminado. A empresa já opera em escala industrial, com grafeno de alta pureza sendo produzido a 1 kg por hora. “O objetivo é produzir materiais de alta qualidade que possam ser implementados diretamente em novos dispositivos, ou usado para melhorar outros materiais, como vidro, metal ou polímeros, "
disse Koziol.

p Trabalhar diretamente com a indústria será a chave para acelerar a transição do laboratório para a fábrica para novos materiais. Hofmann está liderando um grande esforço para desenvolver a tecnologia de fabricação e processamento integrado para CNTs, grafeno e nanomateriais relacionados, com financiamento do ERC e Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), e em colaboração com uma rede de parceiros industriais.

p "O campo está em um estágio muito empolgante, " ele disse, "agora, não só podemos 'ver' e resolver suas estruturas intrincadas, mas novas técnicas de caracterização nos permitem fazer vídeos em tempo real de como eles se montam, átomo por átomo. Estamos começando a entender o que governa seu crescimento e como eles se comportam em ambientes industrialmente relevantes. Isso nos permite controlar melhor suas propriedades, alinhamento, localização e interfaces com outros materiais, que é a chave para desbloquear seu potencial comercial. "

p Para aplicações de ponta na indústria eletrônica e fotônica, alcançar esse nível de controle não é apenas desejável, mas uma necessidade. A capacidade de produzir carbono de maneira controlada em suas muitas formas estruturais amplia o 'portfólio de materiais' que um engenheiro moderno tem à sua disposição. Com filmes ou estruturas de carbono já encontradas em produtos como discos rígidos, lâminas de barbear e baterias de íon de lítio, o uso industrial de CNTs está se tornando cada vez mais difundido, dirigido, por exemplo, pela demanda por novas tecnologias, como dispositivos flexíveis e nossa necessidade de colheita, converter e armazenar energia com mais eficiência.

p Professora Andrea Ferrari, Diretor do Cambridge Graphene Center e do programa de treinamento de doutorado, que foi financiado por meio de um subsídio de £ 17 milhões do EPSRC, explicou:"As pessoas agora podem fazer grafeno por tonelada - não é um problema. O desafio é combinar as propriedades do grafeno que você produz com a aplicação final. Nossas instalações e equipamentos foram selecionados para promover o alinhamento com a indústria; temos colaborações com mais de 20 empresas que compartilham nossa agenda de aplicativos avançados da vida real, e muitos mais estão discutindo seu envolvimento com nossas atividades. "

p Cambridge foi pioneira na engenharia e tecnologia do grafeno desde o início e, com vários spin-offs, tornou-se um centro de inovação e fabricação de grafeno. O Cambridge Graphene Center visa melhorar as técnicas de fabricação de grafeno e materiais relacionados, bem como explorar aplicações nas áreas de armazenamento de energia e dispositivos de colheita, eletrônicos de alta frequência, fotônica, eletrônicos flexíveis e vestíveis, e compostos. O grafeno também é o foco de financiamento europeu em grande escala - o Graphene Flagship, um pan-europeu de 10 anos, O programa de ciência e tecnologia de € 1 bilhão foi lançado em 2013. Ferrari foi um dos principais investigadores que preparou a proposta, liderou o desenvolvimento do roteiro de ciência e tecnologia para o projeto, e agora preside o Conselho Executivo da Flagship.

p Agora, o trabalho de construção começou em uma instalação sob medida de £ 12,9 milhões que abrigará o Cambridge Graphene Center, com espaços adicionais para eletrônicos de grande área. A inauguração está prevista para o final da primavera de 2015.

p "Reconhecemos que ainda há muito a ser feito antes que a promessa inicial se torne realidade, mas existem grandes oportunidades agora, "disse Ferrari." Estamos no início de uma jornada. Não sabemos o resultado final, mas o potencial do grafeno e de materiais relacionados é tal que faz todo o sentido colocar um grande esforço nisso desde o início. "