Блог

Jul 27, 2023

Новые волокна из нанотрубок обладают непревзойденным сочетанием прочности, проводимости и гибкости (с видео)

10 января 2013 г., автор:

10 января 2013 г.

Университета Райса

(Phys.org) — Последний прорыв в области нанотехнологий в Университете Райса готовился более 10 лет, но все равно стал шоком. Ученые из Райса, голландской фирмы Teijin Aramid, ВВС США и израильского института Технион на этой неделе представили новое волокно из углеродных нанотрубок (УНТ), которое выглядит и действует как текстильная нить и проводит электричество и тепло, как металлическая проволока. В выпуске журнала Science на этой неделе исследователи описывают промышленно масштабируемый процесс изготовления нитевидных волокон, которые по ряду показателей превосходят коммерчески доступные высокопроизводительные материалы.

«Наконец-то у нас есть волокно из нанотрубок со свойствами, которых нет ни в одном другом материале», — сказал ведущий исследователь Маттео Паскуали, профессор химической и биомолекулярной инженерии и химии в Райсе. «Она выглядит как черная хлопчатобумажная нить, но ведет себя как металлическая проволока, так и прочные углеродные волокна».

В исследовательскую группу входят академические, правительственные и промышленные ученые из Райс; Штаб-квартира Тейджина Арамида в Арнеме, Нидерланды; Израильский технологический институт Технион в Хайфе, Израиль; и Исследовательская лаборатория ВВС (AFRL) в Дейтоне, штат Огайо.

«Новые волокна УНТ имеют теплопроводность, приближающуюся к теплопроводности лучших графитовых волокон, но в 10 раз большую электропроводность», — сказал соавтор исследования Марцин Отто, менеджер по развитию бизнеса в Teijin Aramid. «Графитовые волокна также хрупкие, в то время как новые волокна УНТ такие же гибкие и прочные, как текстильная нить. Мы ожидаем, что такое сочетание свойств приведет к созданию новых продуктов с уникальными возможностями для рынков аэрокосмической, автомобильной, медицинской и смарт-одежды».

Феноменальные свойства углеродных нанотрубок привели в восторг ученых с момента их открытия в 1991 году. Полые трубки из чистого углерода, ширина которых почти равна ширине нити ДНК, примерно в 100 раз прочнее стали и в шесть раз легче стали. Проводящие свойства нанотрубок — как по электричеству, так и по теплу — конкурируют с лучшими металлическими проводниками. Они также могут служить светоактивируемыми полупроводниками, устройствами для доставки лекарств и даже губками для впитывания нефти.

К сожалению, углеродные нанотрубки также являются лидерами среди наноматериалов; с ними трудно работать, несмотря на их исключительный потенциал. Во-первых, поиск средств для производства нанотрубок в больших количествах занял почти десятилетие. Ученые также рано узнали, что существует несколько десятков типов нанотрубок, каждый из которых имеет уникальный материал и электрические свойства; и инженерам еще предстоит найти способ производить только один тип. Вместо этого все методы производства дают мешанину типов, часто сгруппированных в комочки шерсти.

Создание крупномасштабных объектов из этих сгустков нанотрубок оказалось непростой задачей. Нитевидное волокно толщиной менее четверти человеческого волоса будет содержать десятки миллионов нанотрубок, расположенных рядом. В идеале эти нанотрубки должны быть идеально выровнены, как карандаши в коробке, и плотно упакованы. Некоторые лаборатории изучали способы выращивания таких волокон целиком, но темпы производства этих «твердотельных» волокон оказались довольно медленными по сравнению с методами производства волокон, основанными на химическом процессе, называемом «мокрое прядение». В этом процессе комки необработанных нанотрубок растворяются в жидкости и просачиваются через крошечные отверстия, образуя длинные нити.

Вскоре после прибытия в Райс в 2000 году Паскуали начал изучать методы мокрого прядения УНТ вместе с покойным Ричардом Смолли, пионером нанотехнологий и тезкой Института наномасштабной науки и технологий Смолли Райса. В 2003 году, за два года до своей безвременной кончины, Смолли работал с Паскуали и его коллегами над созданием первых чистых волокон из нанотрубок. В ходе работы был разработан промышленно применимый процесс мокрого прядения нанотрубок, который был аналогичен методам, используемым для создания высокоэффективных арамидных волокон, таких как Twaron Тейджина, которые используются в бронежилетах и ​​других продуктах. Но этот процесс необходимо было усовершенствовать. Волокна не были очень прочными и проводящими, отчасти из-за зазоров и несоосности миллионов нанотрубок внутри них.