Fibre di nanotubi

In un laboratorio della Rice University, una fibra nera del diametro di un capello umano si avvolge in un bicchiere di etere. Costituito da nanotubi puri, il filone è il culmine di quasi un decennio di sperimentazione. L'ingegnere chimico Matteo Pasquali e i suoi colleghi hanno filato nanotubi in fibre lunghe diverse centinaia di metri, dimostrando che è possibile sviluppare tecniche di produzione commercialmente utili per produrre materiali su macroscala da queste molecole cilindriche di carbonio puro.

L'ingegnere chimico Matteo Pasquali, che trasforma nanotubi di carbonio in fibre nel suo laboratorio alla Rice University di Houston.

Trasformare i nanotubi di carbonio in fibre era un sogno particolare del defunto professore della Rice Richard Smalley, che ha condiviso il Premio Nobel per la chimica nel 1996 per la sua scoperta delle molecole sferiche di carbonio chiamate buckyballs. I singoli nanotubi hanno proprietà notevoli: sono leggeri, sono forti e possono essere elettricamente conduttivi. Ma assemblarli in grandi strutture con queste proprietà è stato difficile.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2010

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Nel 2001, Smalley ha iniziato a provare a utilizzare l'elaborazione liquida per trasformare i nanotubi di carbonio in fibre che mantenessero le proprietà elettriche e meccaniche dei tubi su lunghezze chilometriche, un'idea che, ha ammesso, era davvero folle. (vedi Wires of Wonder, marzo 2001) . Tali fibre sarebbero più resistenti dell'acciaio e più conduttive del rame. Smalley li immaginava intrecciati in cavi in ​​grado di trasportare in modo efficiente l'elettricità dai parchi eolici e solari remoti alle aree popolate, senza perdere energia per il calore. Pasquali, che ha fatto parte del progetto fin dall'inizio e ha preso il comando dopo la morte di Smalley nel 2005, riconosce di aver iniziato come scettico. Ho pensato che fosse una follia completa, perché i nanotubi di carbonio non sono solubili nel fluido e io sono un tipo fluido, dice.

Altri ricercatori hanno realizzato fibre su macroscala da nanotubi secchi, estraendoli da array verticali o facendoli girare come lana mentre emergono da un reattore. Ma i singoli nanotubi in queste fibre non si allineano e il corretto allineamento è fondamentale: le masse aggrovigliate delle molecole non trasportano bene l'elettricità e non sono forti. Pasquali sapeva che i nanotubi portati in soluzione si sarebbero allineati come tronchi che galleggiano lungo un fiume, risultando in fibre ben ordinate.

Il gruppo ha avuto una svolta nel 2004, quando ha ritenuto che i metodi utilizzati per fabbricare le fibre di Kevlar, un componente dei giubbotti antiproiettile, potessero funzionare anche con i nanotubi. Come i nanotubi, il polimero di Kevlar è lungo, sottile e difficile da sciogliere in soluzione; le fibre sono realizzate mescolando il polimero con acido solforico e quindi sparando la soluzione attraverso aghi raggruppati come i fori di un soffione.

I ricercatori di Rice sono riusciti a dissolvere solo piccole quantità di nanotubi usando acido solforico. Ma quando usavano l'acido clorosolfonico, un cosiddetto superacido, potevano ottenere alte concentrazioni di nanotubi in soluzione. I tubi formano un cristallo liquido, in cui sono già allineati, un enorme vantaggio nel trasformarli in fibre.

filare una linea

Il gruppo di Pasquali inizia il suo processo di filatura con nanotubi a parete singola realizzati in un laboratorio vicino utilizzando un processo originariamente sviluppato da Smalley. In un reattore ad alta pressione dove le temperature raggiungono i 1.000 °C, il monossido di carbonio si deposita su goccioline di catalizzatore di ferro puro e si decompone. Gli atomi di carbonio si accumulano in cilindri cavi di circa un nanometro di diametro e lunghi alcune centinaia di nanometri. Questi nanotubi emergono dal reattore in soffici derive nere; sono conservati in secchi da cinque galloni impilati fino al soffitto, ciascuno contenente solo 200 grammi.

I nanotubi realizzati in questo reattore contengono tracce di ferro che devono essere rimosse prima che i tubi possano essere trasformati in fibre. Il dottorando Colin Young riempie una camera di vetro con nanotubi che sono stati trattati con ossigeno in una fornace per ossidare il ferro, rendendolo solubile. All'interno di una cappa, fissa la camera su una boccetta di acido cloridrico. Accende un blocco riscaldante sotto l'acido per farlo bollire. L'acido, condensandosi e gocciolando sui nanotubi, dissolve il ferro; i tubi sono lasciati intatti.

Dopo la doccia acida, lo studente laureato Natnael Behabtu carica i nanotubi e l'acido clorosolfonico in un tubo di acciaio inossidabile dotato di pistoni che sfregano uniformemente i nanotubi in un'unica direzione per incoraggiarli ad allinearsi. La soluzione viscosa risultante è costituita dall'8% in peso di nanotubi di cristalli liquidi.

Quindi stacca metà della camera e uno dei pistoni con essa, e la sostituisce con una parte che è stata dotata di un ago rotante. Il pistone spinge il liquido attraverso un filtro di vetro (che impedisce l'intasamento), nell'ago e fuori in un bagno di attesa di etere etilico. L'acido è solubile nell'etere, ma i nanotubi non lo sono, quindi il risultato è una fibra di nanotubi pura, da 50 a 100 micrometri di diametro e lunga molti metri.

misurando

Per misurare la resistenza alla trazione delle fibre, Young usa la colla per fissare un breve tratto di fibra su un telaio di cartone. Lo fissa nelle morse metalliche di uno stress tester, taglia il telaio e tira la fibra da entrambe le estremità finché non si rompe. Le fibre possono attualmente resistere a circa 350 megapascal di pressione prima di cedere, poco meno di un capello umano, che è considerato abbastanza forte per il suo diametro.

La forza delle fibre dipende dall'attrito generato dove interagiscono le superfici dei nanotubi. I nanotubi più lunghi generano più attrito e, quindi, fibre più forti. I nanotubi di riso, che Pasquali sta usando per comodità, sono relativamente corti. Ma sta esplorando partnership con aziende di filatura di fibre e produttori di nanotubi di carbonio che possono fornire ulteriore esperienza di filatura e nanotubi più lunghi. Pasquali spera di aumentare di oltre dieci volte la resistenza alla trazione delle fibre.

C'è ancora un grosso ostacolo alla realizzazione del sogno di Smalley di utilizzare i nanotubi per rifare la rete elettrica. Le fibre di Pasquali hanno una resistenza elettrica di 120 microohm per centimetro, circa otto volte maggiore di quella dei fili di rame. Il motivo è che ogni metodo per coltivare nanotubi si traduce in un mix di versioni conduttrici e semiconduttive. Affinché le fibre di nanotubi possano trasportare abbastanza corrente da sostituire il rame, dovrebbero essere costituite interamente da nanotubi conduttori. Il gruppo Rice prevede di realizzare fibre da nanotubi conduttori separati dai tubi non conduttori per determinare se tali conduttività sono possibili. Ma il processo di smistamento odierno rende i nanotubi troppo costosi per l'uso nella trasmissione elettrica.

Pasquali resta comunque ottimista sul fatto che questa seconda sfida sarà vinta, così come ha risolto il problema della filatura dei nanotubi in fibre lunghe. Ed è sicuro che quando lo sarà, i cavi di nanotubi resistenti e leggeri potranno finalmente sostituire i pesanti e inefficienti cavi in ​​alluminio rinforzato con acciaio utilizzati nella rete elettrica odierna, proprio come immaginava Smalley.

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