(Phys.org)-Rice University's nieuwste doorbraak in nanotechnologie was meer dan 10 jaar in de maak, maar toch kwam het met een schok. Wetenschappers van Rijst, de Nederlandse firma Teijin Aramid, de Amerikaanse luchtmacht en het Israëlische Technion Institute hebben deze week een nieuwe koolstofnanobuis (CNT)-vezel onthuld die eruitziet en werkt als textieldraad en elektriciteit en warmte geleidt als een metaaldraad. In het nummer van deze week van Wetenschap , beschrijven de onderzoekers een industrieel schaalbaar proces voor het maken van de draadachtige vezels, die op een aantal manieren beter presteren dan in de handel verkrijgbare hoogwaardige materialen.

"We hebben eindelijk een nanobuisvezel met eigenschappen die in geen enkel ander materiaal voorkomen, " zei hoofdonderzoeker Matteo Pasquali, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en chemie aan Rice. "Het ziet eruit als zwarte katoenen draad, maar gedraagt ​​zich als zowel metaaldraden als sterke koolstofvezels."

Het onderzoeksteam bestaat uit academische, overheids- en industriële wetenschappers uit Rice; het hoofdkantoor van Teijin Aramid in Arnhem, Nederland; het Technion-Israel Institute of Technology in Haifa, Israël; en het Air Force Research Laboratory (AFRL) in Dayton, Ohio.

"De nieuwe CNT-vezels hebben een thermische geleidbaarheid die die van de beste grafietvezels benadert, maar met een 10 keer grotere elektrische geleidbaarheid, " zei co-auteur van de studie Marcin Otto, business development manager bij Teijin Aramid. "Grafietvezels zijn ook broos, terwijl de nieuwe CNT-vezels zo flexibel en taai zijn als een textieldraad. We verwachten dat deze combinatie van eigenschappen zal leiden tot nieuwe producten met unieke mogelijkheden voor de lucht- en ruimtevaart, auto, medische en slimme kledingmarkten."

De fenomenale eigenschappen van koolstofnanobuizen hebben wetenschappers geboeid vanaf het moment van hun ontdekking in 1991. De holle buizen van pure koolstof, die bijna zo breed zijn als een DNA-streng, zijn ongeveer 100 keer sterker dan staal met een zesde van het gewicht. De geleidende eigenschappen van nanobuisjes - voor zowel elektriciteit als warmte - wedijveren met de beste metalen geleiders. Ze kunnen ook dienen als door licht geactiveerde halfgeleiders, apparaten voor het afleveren van medicijnen en zelfs sponzen om olie op te nemen.

Helaas, koolstofnanobuisjes zijn ook de prima donna van nanomaterialen; ze zijn moeilijk om mee te werken, ondanks hun uitstekende potentieel. Voor starters, het vinden van de middelen om grote hoeveelheden nanobuisjes te produceren duurde bijna een decennium. Wetenschappers kwamen er al vroeg achter dat er enkele tientallen soorten nanobuisjes waren - elk met unieke materiaal- en elektrische eigenschappen; en ingenieurs moeten nog een manier vinden om slechts één type te produceren. In plaats daarvan, alle productiemethoden leveren een mengelmoes van soorten op, vaak in haarbalachtige klonten.

Het was een uitdaging om grootschalige objecten te maken van deze klompjes nanobuisjes. Een draadachtige vezel die minder dan een kwart van de dikte van een mensenhaar is, zal tientallen miljoenen nanobuisjes naast elkaar bevatten. Ideaal, deze nanobuisjes zullen perfect uitgelijnd zijn - zoals potloden in een doos - en stevig verpakt. Sommige laboratoria hebben manieren onderzocht om dergelijke vezels in hun geheel te laten groeien, maar de productiesnelheden voor deze "vaste-stof"-vezels zijn vrij traag gebleken in vergelijking met vezelproductiemethoden die afhankelijk zijn van een chemisch proces dat "nat spinnen" wordt genoemd. In dit proces, klontjes onbewerkte nanobuisjes worden opgelost in een vloeistof en door kleine gaatjes gespoten om lange strengen te vormen.

Kort na aankomst in Rice in 2000, Pasquali begon met het bestuderen van CNT nat-spinmethoden met wijlen Richard Smalley, een pionier op het gebied van nanotechnologie en de naamgenoot van Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. In 2003, twee jaar voor zijn vroegtijdige dood, Smalley werkte samen met Pasquali en collega's om de eerste pure nanobuisvezels te maken. Het werk bracht een industrieel relevant natspinproces voor nanobuisjes tot stand dat analoog was aan de methoden die werden gebruikt om hoogwaardige aramidevezels te maken - zoals Teijin's Twaron - die worden gebruikt in kogelvrije vesten en andere producten. Maar het proces moest worden verfijnd. De vezels waren niet erg sterk of geleidend, gedeeltelijk te wijten aan gaten en verkeerde uitlijning van de miljoenen nanobuisjes erin.

"Het bereiken van een zeer hoge pakking en uitlijning van de koolstofnanobuisjes in de vezels is van cruciaal belang, " zei co-auteur Yeshayahu Talmon, directeur van Technions Russell Berrie Nanotechnology Institute, die ongeveer vijf jaar geleden begon samen te werken met Pasquali.

De volgende grote doorbraak kwam in 2009 wanneer Talmon, Pasquali en collega's ontdekten het eerste echte oplosmiddel voor nanobuisjes:chloorsulfonzuur. Voor de eerste keer, wetenschappers hadden een manier om zeer geconcentreerde oplossingen van nanobuisjes te maken, een ontwikkeling die leidde tot een betere uitlijning en verpakking.

"Tot die tijd, niemand dacht dat het spinnen van chloorsulfonzuur mogelijk was omdat het reageert met water, " zei Pasquali. "Een afgestudeerde student in mijn lab, Natnael Bahabtu, vonden eenvoudige manieren om aan te tonen dat CNT-vezels kunnen worden gesponnen uit chloorsulfonzuuroplossingen. Dat was cruciaal voor dit nieuwe proces."

Pasquali zei dat andere laboratoria hadden ontdekt dat de sterkte en geleidbaarheid van gesponnen vezels ook konden worden verbeterd als het uitgangsmateriaal - de klompjes ruwe nanobuisjes - lange nanobuisjes met weinig atoomdefecten zou bevatten. In 2010, Pasquali en Talmon begonnen te experimenteren met nanobuisjes van verschillende leveranciers en werkten samen met AFRL-wetenschappers om de precieze elektrische en thermische eigenschappen van de verbeterde vezels te meten.

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. In 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.

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

Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, zei, "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."

The fibers reported in Wetenschap have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, zei Pasquali. 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.

Bijvoorbeeld, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, zei Pasquali.

"Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, " he said. "In many cases, 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."