Een internationaal onderzoeksteam, gevestigd aan de Universiteit van Texas in Dallas, heeft elektrisch geleidende vezels gemaakt die omkeerbaar kunnen worden uitgerekt tot meer dan 14 keer hun oorspronkelijke lengte en waarvan de elektrische geleidbaarheid 200-voudig toeneemt wanneer ze worden uitgerekt.

Het onderzoeksteam gebruikt de nieuwe vezels om kunstmatige spieren te maken, evenals condensatoren waarvan de energieopslagcapaciteit ongeveer tien keer groter wordt wanneer de vezels worden uitgerekt. Vezels en kabels afgeleid van de uitvinding zouden ooit kunnen worden gebruikt als onderlinge verbindingen voor superelastische elektronische schakelingen; robots en exoskeletten met groot bereik; morphing vliegtuigen; gigantische spanningssensoren; storingsvrije pacemakerdraden; en superrekbare oplaadsnoeren voor elektronische apparaten.

In een studie gepubliceerd in het 24 juli nummer van het tijdschrift Wetenschap , de wetenschappers beschrijven hoe ze de vezels hebben geconstrueerd door ze lichter dan lucht te wikkelen, elektrisch geleidende vellen van kleine koolstofnanobuisjes om een ​​gelei-roll-achtige huls rond een lange rubberen kern te vormen.

De nieuwe vezels verschillen op verschillende manieren van conventionele materialen. Bijvoorbeeld, wanneer conventionele vezels worden uitgerekt, de resulterende toename in lengte en afname van het dwarsdoorsnede-oppervlak beperkt de stroom van elektronen door het materiaal. Maar zelfs een "gigantisch" stuk van de nieuwe geleidende mantel-kernvezels veroorzaakt weinig verandering in hun elektrische weerstand, zei dr. Ray Baughman, senior auteur van de paper en directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas.

Een sleutel tot de prestaties van de nieuwe geleidende elastische vezels is de introductie van knikken in de koolstof nanobuisjes. Omdat de rubberen kern over de lengte wordt uitgerekt terwijl de vellen eromheen worden gewikkeld, wanneer het omwikkelde rubber ontspant, de koolstof nanovezels vormen een complexe geknikte structuur, waardoor de vezel herhaaldelijk kan worden uitgerekt.

"Denk aan het knikken dat optreedt wanneer een accordeon wordt samengedrukt, waardoor het niet-elastische materiaal van de accordeon rekbaar is, " zei Baughman, de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry aan de UT Dallas.

"We maken de niet-elastische koolstof nanobuis-omhulsels van onze omhulsel-kernvezels super rekbaar door grote gespen te moduleren met kleine gespen, zodat de rek van beide gesptypes kan bijdragen aan de elasticiteit. Deze verbazingwekkende vezels behouden dezelfde elektrische weerstand, zelfs wanneer uitgerekt door gigantische hoeveelheden, omdat elektronen net zo gemakkelijk over zo'n hiërarchisch geknikte schede kunnen gaan als over een rechte schede."

Dr. Zunfeng Liu, hoofdauteur van de studie en een onderzoeksmedewerker in het NanoTech Institute, zei dat de structuur van de omhulsel-kernvezels "nog een interessante en belangrijke complexiteit heeft." Gespen vormen niet alleen langs de lengte van de vezel, maar ook rond de omtrek.

"Het verkleinen van de omtrek van de vezel tijdens het uitrekken van de vezels veroorzaakt dit tweede type omkeerbare hiërarchische knik rond de omtrek, zelfs als de knik in de vezelrichting tijdelijk verdwijnt, " zei Liu. "Deze nieuwe combinatie van knikken in twee dimensies vermijdt verkeerde uitlijning van nanobuis- en rubberen kernrichtingen, waardoor de elektrische weerstand van de mantel-kernvezel ongevoelig is voor rek."

Door een dunne deklaag van rubber aan de mantel-kernvezels toe te voegen en vervolgens nog een koolstofnanobuismantel, de onderzoekers maakten spanningssensoren en kunstmatige spieren waarin de geknikte nanobuisjes als elektroden dienen en de dunne rubberen laag een diëlektricum is, resulterend in een vezelcondensator. Deze vezelcondensatoren vertoonden een capaciteitsverandering van 860 procent wanneer de vezel 950 procent werd uitgerekt.

"Geen momenteel beschikbare op materiaal gebaseerde spanningssensor kan over een bijna net zo groot spanningsbereik werken, ' zei Liu.

Het toevoegen van twist aan deze dubbelwandige vezels resulteerde in snelle, elektrisch aangedreven torsie- of roterende kunstmatige spieren die kunnen worden gebruikt om spiegels in optische circuits te draaien of vloeistoffen te pompen in miniatuurapparaten die worden gebruikt voor chemische analyse, zei Dr. Carter Haines BS'11, PhD'15, een onderzoeksmedewerker in het NanoTech Institute en een auteur van het artikel.

In het laboratorium, Nan Jiang, een onderzoeksmedewerker in het NanoTech Institute, toonde aan dat de geleidende elastomeren kunnen worden vervaardigd in diameters variërend van de zeer kleine - ongeveer 150 micron, of twee keer de breedte van een mensenhaar - tot veel grotere maten, afhankelijk van de grootte van de rubberen kern. "Individuele kleine vezels kunnen ook worden gecombineerd tot grote bundels en worden samengevoegd als garen of touw, " ze zei.

"Deze technologie zou zeer geschikt kunnen zijn voor snelle commercialisering, " zei Dr. Raquel Ovalle-Robles MS'06 PhD'08, een auteur op de krant en hoofdstrateeg voor onderzoek en intellectuele eigendom bij Lintec of America's Nano-Science &Technology Center.

"De rubberen kernen die voor deze mantelkernvezels worden gebruikt, zijn goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar, " zei ze. "De enige exotische component is het aerogelvel van koolstofnanobuisjes dat wordt gebruikt voor de vezelmantel."

Vorig jaar, UT Dallas heeft aan Lintec of America een proces in licentie gegeven dat Baughman's team heeft ontwikkeld om koolstofnanobuisjes om te zetten in grootschalige structuren, zoals lakens. Lintec opende zijn Nano-Science &Technology Center in Richardson, Texas, minder dan 5 mijl van de UT Dallas-campus, om aerogelvellen van koolstofnanobuisjes te vervaardigen voor diverse toepassingen.