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Jul 01, 2023

Les nouvelles fibres de nanotubes ont une combinaison inégalée de résistance, de conductivité et de flexibilité (avec vidéo)

10 janvier 2013 par

10 janvier 2013

par l'Université Rice

(Phys.org)—La dernière percée en nanotechnologie de l'Université de Rice a duré plus de 10 ans, mais elle a tout de même été un choc. Des scientifiques de Rice, de la société néerlandaise Teijin Aramid, de l'US Air Force et du Technion Institute israélien ont dévoilé cette semaine une nouvelle fibre de nanotube de carbone (CNT) qui ressemble et agit comme un fil textile et conduit l'électricité et la chaleur comme un fil métallique. Dans le numéro de cette semaine de Science, les chercheurs décrivent un processus industriellement évolutif pour fabriquer les fibres filiformes, qui surpassent de plusieurs façons les matériaux hautes performances disponibles dans le commerce.

"Nous avons enfin une fibre nanotube avec des propriétés qui n'existent dans aucun autre matériau", a déclaré le chercheur principal Matteo Pasquali, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de chimie à Rice. "Il ressemble à du fil de coton noir mais se comporte à la fois comme des fils métalliques et des fibres de carbone solides."

L'équipe de recherche comprend des scientifiques universitaires, gouvernementaux et industriels de Rice; le siège social de Teijin Aramid à Arnhem, aux Pays-Bas ; le Technion-Israel Institute of Technology à Haïfa, Israël ; et le laboratoire de recherche de l'armée de l'air (AFRL) à Dayton, Ohio.

"Les nouvelles fibres CNT ont une conductivité thermique proche de celle des meilleures fibres de graphite mais avec une conductivité électrique 10 fois supérieure", a déclaré le co-auteur de l'étude, Marcin Otto, responsable du développement commercial chez Teijin Aramid. « Les fibres de graphite sont également cassantes, tandis que les nouvelles fibres CNT sont aussi flexibles et résistantes qu'un fil textile. Nous prévoyons que cette combinaison de propriétés conduira à de nouveaux produits dotés de capacités uniques pour les marchés de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine et des vêtements intelligents.

Les propriétés phénoménales des nanotubes de carbone ont fasciné les scientifiques dès leur découverte en 1991. Les tubes creux de carbone pur, qui sont presque aussi larges qu'un brin d'ADN, sont environ 100 fois plus résistants que l'acier pour un sixième du poids. Les propriétés conductrices des nanotubes, tant pour l'électricité que pour la chaleur, rivalisent avec les meilleurs conducteurs métalliques. Ils peuvent également servir de semi-conducteurs activés par la lumière, de dispositifs d'administration de médicaments et même d'éponges pour absorber l'huile.

Malheureusement, les nanotubes de carbone sont aussi la prima donna des nanomatériaux ; ils sont difficiles à travailler, malgré leur potentiel exquis. Pour commencer, trouver les moyens de produire de grandes quantités de nanotubes a pris près d'une décennie. Les scientifiques ont également appris très tôt qu'il existait plusieurs dizaines de types de nanotubes, chacun ayant des propriétés matérielles et électriques uniques. et les ingénieurs doivent encore trouver un moyen de produire un seul type. Au lieu de cela, toutes les méthodes de production produisent un méli-mélo de types, souvent en touffes ressemblant à des boules de poils.

Créer des objets à grande échelle à partir de ces amas de nanotubes a été un défi. Une fibre filiforme qui fait moins du quart de l'épaisseur d'un cheveu humain contiendra des dizaines de millions de nanotubes entassés côte à côte. Idéalement, ces nanotubes seront parfaitement alignés - comme des crayons dans une boîte - et bien emballés. Certains laboratoires ont exploré les moyens de faire pousser ces fibres entières, mais les taux de production de ces fibres "à l'état solide" se sont avérés assez lents par rapport aux méthodes de production de fibres qui reposent sur un processus chimique appelé "filage humide". Dans ce processus, des amas de nanotubes bruts sont dissous dans un liquide et injectés à travers de minuscules trous pour former de longs brins.

Peu de temps après son arrivée chez Rice en 2000, Pasquali a commencé à étudier les méthodes de filature humide CNT avec le regretté Richard Smalley, un pionnier de la nanotechnologie et l'homonyme du Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. En 2003, deux ans avant sa mort prématurée, Smalley a travaillé avec Pasquali et ses collègues pour créer les premières fibres de nanotubes purs. Les travaux ont établi un processus de filature humide pertinent pour l'industrie pour les nanotubes, analogue aux méthodes utilisées pour créer des fibres d'aramide hautes performances - comme le Twaron de Teijin - qui sont utilisées dans les gilets pare-balles et d'autres produits. Mais le processus devait être affiné. Les fibres n'étaient pas très solides ou conductrices, en partie à cause des lacunes et du désalignement des millions de nanotubes à l'intérieur.

"Il est essentiel d'obtenir un tassement et un alignement très élevés des nanotubes de carbone dans les fibres", a déclaré le co-auteur de l'étude, Yeshayahu Talmon, directeur du Russell Berrie Nanotechnology Institute du Technion, qui a commencé à collaborer avec Pasquali il y a environ cinq ans.

La prochaine grande percée a eu lieu en 2009, lorsque Talmon, Pasquali et leurs collègues ont découvert le premier véritable solvant pour les nanotubes : l'acide chlorosulfonique. Pour la première fois, les scientifiques disposaient d'un moyen de créer des solutions hautement concentrées de nanotubes, un développement qui a permis d'améliorer l'alignement et l'emballage.

"Jusqu'à ce moment-là, personne ne pensait que la filature de l'acide chlorosulfonique était possible car il réagit avec l'eau", a déclaré Pasquali. "Un étudiant diplômé de mon laboratoire, Natnael Bahabtu, a trouvé des moyens simples de montrer que les fibres de CNT pouvaient être filées à partir de solutions d'acide chlorosulfonique. C'était essentiel pour ce nouveau procédé."

Pasquali a déclaré que d'autres laboratoires avaient découvert que la résistance et la conductivité des fibres filées pouvaient également être améliorées si le matériau de départ - les amas de nanotubes bruts - contenait de longs nanotubes avec peu de défauts atomiques. En 2010, Pasquali et Talmon ont commencé à expérimenter des nanotubes de différents fournisseurs et à travailler avec des scientifiques de l'AFRL pour mesurer les propriétés électriques et thermiques précises des fibres améliorées.

Au cours de la même période, Otto évaluait les méthodes proposées par différents centres de recherche pour fabriquer des fibres CNT. Il envisageait de combiner les découvertes de Pasquali, le savoir-faire de Teijin Aramid et l'utilisation de NTC longs pour favoriser le développement de fibres CNT hautes performances. En 2010, Teijin Aramid a mis en place et financé un projet avec Rice, et les experts en filature de fibres de l'entreprise ont collaboré avec les scientifiques de Rice tout au long du projet.

"L'aide scientifique et technique de Teijin a conduit à des améliorations immédiates de la résistance et de la conductivité", a déclaré Pasquali.

Le co-auteur de l'étude, Junichiro Kono, professeur de génie électrique et informatique à Rice, a déclaré : « La recherche a montré que la conductivité électrique des fibres pouvait être ajustée et optimisée avec des techniques appliquées après la production initiale. Cela a conduit à la conductivité la plus élevée jamais enregistrée. rapporté pour une fibre de CNT macroscopique.

Les fibres rapportées dans Science ont environ 10 fois la résistance à la traction et la conductivité électrique et thermique des meilleures fibres CNT filées à l'état humide, a déclaré Pasquali. La conductivité électrique spécifique des nouvelles fibres est comparable à celle des fils de cuivre, d'or et d'aluminium, mais le nouveau matériau présente des avantages par rapport aux fils métalliques.

Par exemple, une application où une haute résistance et une conductivité électrique pourraient s'avérer utiles serait dans les applications de données et de faible puissance, a déclaré Pasquali.

"Les fils métalliques se briseront dans les rouleaux et autres machines de production s'ils sont trop fins", a-t-il déclaré. "Dans de nombreux cas, les gens utilisent des fils métalliques beaucoup plus épais que nécessaire pour les besoins électriques, simplement parce qu'il n'est pas possible de produire un fil plus fin. Les câbles de données en sont un exemple particulièrement bon."

Plus d'information: "Fibres solides, légères et multifonctionnelles de nanotubes de carbone à conductivité ultra élevée", par N. Behabtu et al. Sciences, 2013.

Informations sur la revue :Science

Fourni par l'Université Rice