(Phys.org) — Op een pond-per-pond basis, op koolstof nanobuisjes gebaseerde vezels, uitgevonden aan de Rice University, hebben een grotere capaciteit om elektrische stroom te transporteren dan koperen kabels van dezelfde massa, volgens nieuw onderzoek.

Terwijl individuele nanobuisjes in staat zijn om bijna 1 000 keer meer stroom dan koper, dezelfde buizen samengevoegd tot een vezel met behulp van andere technologieën falen lang voordat ze die capaciteit hebben bereikt.

Maar een reeks tests bij Rice toonde aan dat de natgesponnen koolstofnanobuisvezel nog steeds handig koper versloeg, tot vier keer zoveel stroom voeren als een koperdraad van dezelfde massa.

Dat, zeiden de onderzoekers, maakt op nanobuis gebaseerde kabels een ideaal platform voor lichtgewicht krachtoverbrenging in systemen waar gewicht een belangrijke factor is, zoals ruimtevaarttoepassingen.

De analyse onder leiding van Rice-professoren Junichiro Kono en Matteo Pasquali verscheen deze week online in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen . Nog maar een jaar geleden het journaal Wetenschap meldde dat Pasquali's lab, in samenwerking met wetenschappers van het Nederlandse bedrijf Teijin Aramid, creëerde een zeer sterke geleidende vezel uit koolstofnanobuisjes.

Hedendaagse transmissiekabels van koper of aluminium zijn zwaar omdat hun lage treksterkte een staalkernwapening vereist.

Wetenschappers die met materialen op nanoschaal werken, hebben lang gedacht dat er een betere manier is om elektriciteit van hier naar daar te verplaatsen. Bepaalde soorten koolstofnanobuisjes kunnen veel meer elektriciteit vervoeren dan koper. De ideale kabel zou zijn gemaakt van lange metalen "leunstoel"-nanobuizen die stroom over grote afstanden zouden overbrengen met verwaarloosbaar verlies, maar zo'n kabel is niet haalbaar omdat het nog niet mogelijk is om pure fauteuils in bulk te vervaardigen, zei Pasquali.

Ondertussen, het Pasquali-lab heeft een methode ontwikkeld om vezels te spinnen uit een mix van soorten nanobuisjes die nog steeds beter presteren dan koper. De kabel die is ontwikkeld door Pasquali en Teijin Aramid is sterk en flexibel, ook al is hij 20 micron breed, het is dunner dan een mensenhaar.

Pasquali wendde zich tot Kono en zijn collega's, waaronder hoofdauteur Xuan Wang, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice, om de mogelijkheden van de vezel te kwantificeren.

Pasquali zei dat er een scheiding is geweest tussen elektrotechnici die de huidige draagkracht van geleiders bestuderen en materiaalwetenschappers die aan koolstofnanobuisjes werken. "Dat heeft enige verwarring in de literatuur veroorzaakt over de juiste vergelijkingen die gemaakt moeten worden, " zei hij. "Jun en Xuan hebben echt doorgrond hoe ze deze metingen goed kunnen doen en appels met appels kunnen vergelijken."

De onderzoekers analyseerden de "huidige draagkracht" (CCC) van de vezel, of capaciteit, met een op maat gemaakte rig waarmee ze het konden testen naast metalen kabels van dezelfde diameter. De kabels zijn getest terwijl ze in de open lucht hangen, in een vacuüm en in stikstof- of argonomgevingen.

Elektrische kabels worden warm door weerstand. Wanneer de huidige belasting de veilige capaciteit van de kabel overschrijdt, ze worden te warm en breken. De onderzoekers ontdekten dat nanobuisvezels blootgesteld aan stikstof het beste presteerden, gevolgd door argon en open lucht, die allemaal in staat waren om af te koelen door middel van convectie. Dezelfde nanobuisvezels in een vacuüm konden alleen afkoelen door straling en hadden de laagste CCC.

"Het resultaat is dat deze vezels de hoogste CCC hebben die ooit is gerapporteerd voor vezels op koolstofbasis, "Zei Kono. "Koper heeft nog steeds een betere weerstand met een orde van grootte, maar we hebben het voordeel dat koolstofvezel licht is. Dus als je de CCC deelt door de massa, we winnen."

Kono is van plan om de multifunctionele aspecten van de vezel verder te onderzoeken en te verkennen. inclusief flexibele opto-elektronische apparaattoepassingen.

Pasquali suggereerde dat de draadachtige vezels licht genoeg zijn om stroom te leveren aan luchtvaartuigen. "Stel dat je een onbemand luchtvaartuig vanaf de grond wilt aandrijven, " peinsde hij. "Je zou het als een vlieger kunnen maken, met stroom geleverd door onze vezels. Ik wou dat Ben Franklin hier was om dat te zien!"