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Fibre di nanotubi di carbonio super resistenti
I nanotubi di carbonio filati per formare lunghe fibre simili a filati potrebbero superare anche i materiali antiproiettile più resistenti sul mercato, ma trasformare i nanotubi in tali materiali si è rivelata una sfida. Ora i ricercatori affermano di aver migliorato il metodo di produzione delle fibre: possono estrarle più velocemente da una fornace calda, far allineare meglio i nanotubi e migliorare notevolmente la loro resistenza. Mentre le fibre di nanotubi di carbonio possono ancora essere prodotte solo in piccoli lotti e solo in brevi lunghezze, affermano gli esperti, le fibre mostrano grandi promesse per materiali ultra resistenti e resilienti, con possibili applicazioni dall'armatura alle trivellazioni petrolifere.
Nano ordine: I ricercatori hanno migliorato le tecniche per filare le fibre dei nanotubi di carbonio: fanno in modo che i nanotubi si allineino nella fibra, creando fibre resistenti come, o più forti, di materiali come il Kevlar che vengono utilizzati nei giubbotti antiproiettile. Inoltre, le fibre di nanotubi, a differenza delle normali corde, possono essere annodate senza ferire molto la loro resistenza.
I nanotubi di carbonio sono molecole di carbonio simili a tubi con pareti spesse solo un atomo. Sono estremamente resistenti, elettricamente conduttivi e difficili da realizzare in modo affidabile. Molti gruppi di ricerca hanno lavorato duramente per creare nanotubi di carbonio più lunghi e costruirli in fili più lunghi che potrebbero essere utilizzati per tessuti resistenti e persino linee elettriche efficienti. (Vedi 10 tecnologie emergenti.)
Alan Windle, professore di scienza dei materiali presso l'Università di Cambridge, in Inghilterra, ha realizzato e testato le nuove fibre di nanotubi insieme ai ricercatori del Natick Soldier Research Development Center, in Massachusetts. Windle e i suoi colleghi hanno tirato le fibre dei nanotubi, scoprendo che quelle più deboli si spezzavano a sollecitazioni intorno a un gigapascal, rendendole paragonabili all'acciaio, grammo per grammo.
Le fibre di nanotubi di carbonio più performanti si sono rotte a circa sei gigapascal, battendo i punti di forza che i produttori segnalano per i materiali utilizzati nei giubbotti antiproiettile, come il Kevlar. Queste fibre di nanotubi corrispondevano ai punti di forza più elevati riportati per un paio delle fibre più resistenti disponibili in commercio, Zylon e Dyneema, utilizzate anche nei giubbotti antiproiettile. Una fibra di nanotubi solitaria ed estremamente forte era fuori scala, raggiungendo nove gigapascal di stress, ben oltre qualsiasi altro materiale segnalato, prima di rompersi. Il lavoro precedente con i nanotubi di carbonio ha prodotto fibre che resistono al massimo tre gigapascal.
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Guarda come i nanotubi di carbonio vengono trasformati in fibra ultraresistente.
Siamo soddisfatti dei risultati, ma non direi che siamo sorpresi, afferma Windle. È noto che le proprietà dei singoli nanotubi sono ancora cinque volte migliori. Aggiunge, Questo mi rende ottimista. C'è ancora un enorme margine di miglioramento.
Per realizzare le fibre, i ricercatori hanno utilizzato un metodo sperimentato dal gruppo di Windle nel 2004 in cui una fornace vaporizza il carbonio ed espelle un flusso di nanotubi. Quando questi nanotubi di carbonio vengono catturati a mezz'aria e fatti ruotare attorno a una bobina, formano una fibra composta da miliardi di molecole allineate lungo la lunghezza del nanotubo.
Modificando la temperatura della fornace e regolando la velocità di avvolgimento della fibra, i ricercatori hanno ottimizzato il processo, rendendo le fibre 0,3 volte più resistenti di quelle prodotte da altri gruppi. I ricercatori riferiscono che il miglioramento è in gran parte dovuto al fatto che con un avvolgimento più veloce, i nanotubi si allineano meglio e si compattano insieme più strettamente. Hanno anche aggiunto un passaggio per rendere le fibre più dense. Il team ha fatto passare le fibre attraverso il gas acetone, che si è condensato sulle fibre, formando un liquido. C'è un effetto di tensione superficiale che unisce i nanotubi, il che aumenta la loro forza, dice Windle.
L'applicazione più immediata è per l'armatura, dice. Sembra promettente rispetto alle fibre disponibili in commercio. Ma se funzionerà o meno per l'armatura nessuno lo saprà davvero finché non avremo abbastanza fibra per fare un tessuto e spararci un proiettile, dice Windle. Un recente studio di modellazione al computer suggerisce che i proiettili rimbalzerebbero su un tessuto di nanotubi di carbonio spesso solo sei strati.
Edwin Thomas, professore di scienza e ingegneria dei materiali al MIT, afferma che se i test hanno dimostrato che tale tessuto ha davvero respinto i proiettili, hai uno showstopper e presto sarà in armatura. Ma i materiali spesso non reagiscono bene quando vengono colpiti da forze improvvise rispetto a uno strattone più lento, aggiunge. Nessuno conosce i nanotubi di carbonio ad alti tassi di deformazione, perché nessuno ha controllato.
Un'altra applicazione potrebbe essere la trivellazione petrolifera. Poiché le fibre di nanotubi di carbonio non sono solo resistenti, ma resistono anche al calore e alla corrosione, potrebbero essere utilizzate in punte da trapano o tubi per far fronte a questi ambienti estremi, afferma Thomas.
Thomas avverte, tuttavia, che Windle e i suoi colleghi hanno ottenuto i migliori risultati con fibre lunghe circa un millimetro, apparentemente perché più lungo è il filo, più è probabile che contenga piccoli pezzi di carbonio e altri difetti che lo indeboliscono. Modificare l'elaborazione, la velocità di avvolgimento e il trattamento con acetone, non cambierà le particelle carboniose, afferma Thomas. Devono tornare alla sintesi chimica per affrontarlo.
Perché l'esercito se ne interessi, vorrebbero averne chilometri, dice. Tuttavia, i nuovi risultati gli danno molta speranza.