As fibras de nanotubos de carbono feitas na Rice University são agora mais fortes do que o Kevlar e estão aumentando a condutividade do cobre.

O laboratório Rice do engenheiro químico e biomolecular Matteo Pasquali relatou em Carbono desenvolveu suas fibras mais fortes e condutoras, feito de longos nanotubos de carbono por meio de um processo de fiação úmida.

No novo estudo liderado pelos alunos de graduação da Rice, Lauren Taylor e Oliver Dewey, os pesquisadores notaram que as fibras de nanotubos de carbono fiadas a úmido, que pode levar a avanços em uma série de aplicações médicas e de materiais, dobraram de resistência e condutividade a cada três anos, uma tendência que se estende por quase duas décadas.

Embora isso nunca possa imitar a Lei de Moore, que estabeleceu uma referência para avanços de chips de computador por décadas, Pasquali e sua equipe estão fazendo sua parte para desenvolver o método que foram pioneiros para fazer fibras de nanotubos de carbono.

As fibras filiformes do laboratório, com dezenas de milhões de nanotubos em seção transversal, estão sendo estudados para uso como pontes para reparar corações danificados, como interfaces elétricas com o cérebro, para uso em implantes cocleares, como antenas flexíveis e para aplicações automotivas e aeroespaciais.

Eles também fazem parte do Carbon Hub, uma iniciativa de pesquisa multiuniversitária lançada em 2019 por Rice com o apoio da Shell, Prysmian e Mitsubishi para criar um futuro com zero emissões.

"As fibras de nanotubos de carbono há muito são elogiadas por suas propriedades potenciais superiores, "Pasquali disse." Duas décadas de pesquisa em Rice e em outros lugares tornaram esse potencial uma realidade. Agora precisamos de um esforço mundial para aumentar a eficiência da produção para que esses materiais possam ser feitos com zero emissões de dióxido de carbono e, potencialmente, com produção simultânea de hidrogênio limpo. "

"O objetivo deste artigo é apresentar as propriedades de registro das fibras produzidas em nosso laboratório, "Disse Taylor." Essas melhorias significam que agora estamos ultrapassando Kevlar em termos de força, o que para nós é uma grande conquista. Com apenas mais uma duplicação, ultrapassaríamos as fibras mais fortes do mercado. "

As fibras flexíveis de arroz têm uma resistência à tração de 4,2 gigapascais (GPa), em comparação com 3,6 GPa para fibras de Kevlar. As fibras requerem longos nanotubos com alta cristalinidade; isso é, arranjos regulares de anéis de átomos de carbono com poucos defeitos. A solução ácida usada no processo do arroz também ajuda a reduzir as impurezas que podem interferir na resistência da fibra e aumenta as propriedades metálicas dos nanotubos por meio de dopagem residual, Dewey disse.

"O comprimento, ou proporção de aspecto, dos nanotubos é a característica definidora que impulsiona as propriedades em nossas fibras, " ele disse, observar a área de superfície dos nanotubos de 12 micrômetros usados ​​na fibra de arroz facilita as ligações de van der Waals melhores. "Também ajuda que os colaboradores que cultivam nossos nanotubos otimizem o processamento da solução, controlando o número de impurezas metálicas do catalisador e o que chamamos de impurezas de carbono amorfo."

Os pesquisadores disseram que a condutividade das fibras melhorou para 10,9 megasiemens (milhões de siemens) por metro. "Esta é a primeira vez que uma fibra de nanotubo de carbono ultrapassa o limite de 10 megasiemens, então, alcançamos uma nova ordem de magnitude para fibras de nanotubos, "Dewey disse. Normalizado para peso, ele disse que as fibras de arroz atingem cerca de 80% da condutividade do cobre.

"Mas estamos ultrapassando o fio de platina, o que é uma grande conquista para nós, "Taylor disse, "e a condutividade térmica da fibra é melhor do que qualquer metal e fibras sintéticas, exceto para fibras de grafite de pitch. "

O objetivo do laboratório é tornar a produção de fibras superiores eficiente e barata o suficiente para ser incorporada pela indústria em grande escala, Dewey disse. O processamento da solução é comum na produção de outros tipos de fibras, incluindo Kevlar, portanto, as fábricas poderiam usar processos familiares sem grandes reequipamentos.

"O benefício do nosso método é que ele é essencialmente plug-and-play, "Ele disse." É inerentemente escalonável e se encaixa na forma como as fibras sintéticas já são feitas. "

"Existe uma noção de que os nanotubos de carbono nunca serão capazes de obter todas as propriedades que as pessoas têm alardeado há décadas, "Disse Taylor." Mas estamos obtendo bons ganhos ano após ano. Não é fácil, mas ainda acreditamos que essa tecnologia vai mudar o mundo. "

Os co-autores do artigo são o ex-aluno do Rice, Robert Headrick; alunos de graduação Natsumi Komatsu e Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, professor assistente de engenharia mecânica; e Junichiro Kono, o professor Karl F. Hasselmann de engenharia e professor de engenharia elétrica e de computação, da física e astronomia, e de ciência de materiais e nanoengenharia. Pasquali é o A.J. Hartsook Professor de Engenharia Química e Biomolecular, da química e da ciência dos materiais e nanoengenharia.