I cavi nanotubi raggiungono una pietra miliare: buoni come il rame

Per la prima volta, i ricercatori hanno realizzato cavi elettrici in nanotubi di carbonio che possono trasportare tanta corrente quanto i fili di rame. Questi cavi di nanotubi potrebbero aiutare a trasportare più energia rinnovabile più lontano nella rete elettrica, fornire cablaggi leggeri per veicoli e aerei più efficienti dal punto di vista del carburante e realizzare connessioni in chip di computer a bassa potenza. I ricercatori della Rice University hanno ora dimostrato i cavi di nanotubi di carbonio in un sistema pratico e stanno progettando una linea di produzione per la produzione commerciale.

La nanotecnologia brilla: Il ricercatore della Rice University Yao Zhao dimostra una configurazione che utilizza un cavo di nanotubi di carbonio per trasportare la corrente elettrica standard a una lampadina fluorescente.

Realizzare cablaggi di nanotubi di carbonio leggeri ed efficienti conduttivi quanto il rame è stato un obiettivo dei nanotecnologi sin dagli anni '80. I singoli nanotubi di carbonio, tubi cavi su scala nanometrica di carbonio puro, sono meccanicamente resistenti e di un ordine di grandezza più conduttivi del rame. Ma a meno che i nanotubi di carbonio non vengano messi insieme proprio così, le strutture più grandi realizzate con essi non hanno le proprietà superlative dei singoli tubi.

Anni di armeggiare in laboratorio per trovare le giuste tecniche di assemblaggio e gli ingredienti hanno permesso ai ricercatori guidati dai professori di scienza dei materiali del riso Pulickel Ajayan e Enrique Barrera per rendere finalmente i cavi in ​​nanotubi di carbonio buoni quanto i cavi in ​​rame. I nanocavi del gruppo vantano una combinazione di proprietà finora senza precedenti. Sono meccanicamente resistenti, ma abbastanza flessibili da essere annodati o intrecciati insieme in lunghi tratti di filo. Trasportano circa 100.000 ampere di corrente per centimetro quadrato di materiale, circa la stessa quantità dei fili di rame, ma pesano un sesto di tanto. Superano il rame su una metrica chiamata densità di corrente, il che significa che dovrebbero essere in grado di trasportare più elettricità su distanze più lunghe senza perdere energia per il calore, un problema con la rete elettrica odierna e con i chip dei computer. E poiché sono fatti di carbonio, non di metallo, non si corrodono.

I nanotubi di carbonio variano nella loro conduttività, lunghezza e numero di strati. Il gruppo Rice ha scoperto che ciò che funzionava meglio erano i nanotubi a doppia parete relativamente lunghi forniti dai collaboratori dell'Università Tsinghua di Pechino. Gli elettroni si muovono molto rapidamente attraverso i singoli nanotubi, ma la corrente rallenta quando gli elettroni devono saltare da un nanotubo all'altro. Più lunghi sono i nanotubi, meno salti di questo tipo devono fare gli elettroni in una data lunghezza di filo.

Il processo di realizzazione dei nanocavi inizia con un blocco di nanotubi a doppia parete che sono stati trattati per rimuovere le impurità. I ricercatori aggiungono acido solforico ai nanotubi in modo che possano diffonderli in una pellicola sottile. Quindi afferrano il bordo del film con una pinzetta per iniziare a creare una fibra e tirano con una forza costante per produrre un lungo cavo, simile a come viene prodotto il filo di lana tirando e attorcigliando il vello. Sciacquano l'acido dal cavo e lo espongono al vapore di iodio ad alte temperature. Lo iodio penetra nei nanotubi all'interno del cavo e aumenta la conduttività del cavo senza comprometterne le proprietà meccaniche. E il gruppo Rice ha dimostrato che la conduttività non viene alterata quando i cavi vengono annodati insieme per ottenere lunghezze maggiori.

Per dimostrare che i cavi realizzati in questo modo possono trasmettere una tensione di linea standard, ne hanno usato uno per collegare una lampadina fluorescente a una presa a muro e hanno lasciato la luce accesa per giorni. Questo lavoro è descritto online nella rivista Rapporti scientifici sulla natura .

Cavo nano: Questo cavo, fatto di nanotubi di carbonio, può trasportare tanta corrente elettrica quanto un filo di rame.

È una testimonianza di quanto stiano diventando maturi questi materiali che sono in grado di misurare conducibilità che ora superano i metalli comuni, afferma Michael Strano , un professore di ingegneria chimica al MIT che non era coinvolto nel lavoro. Superare i metalli, dice, rappresenta una pietra miliare.

Questo è molto eccitante, soprattutto considerando l'enorme importanza di ridurre il peso dei cavi [elettrici] negli aeroplani e nelle auto per migliorare l'efficienza del carburante, afferma Ray Baughman , direttore del NanoTech Institute e professore di chimica all'Università del Texas a Dallas. Baughman non era coinvolto nel lavoro.

Il colosso aerospaziale Boeing è tra le aziende che supportano il gruppo Rice. Altri collaboratori e sostenitori includono Chevron, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e Materiali NanoRidge di Houston.

L'obiettivo è realizzare un prodotto ingegnerizzato, afferma Barrera di Rice. Crediamo che ciò che siamo stati in grado di fare sia scalabile a metodi di produzione continua. Il gruppo ha mappato come questo sarebbe stato fatto su una linea di produzione e sta attualmente esplorando la commercializzazione con varie aziende, sebbene non abbiano rivelato alcun accordo.

Sebbene i cavi siano ora abbastanza buoni per iniziare a pensare seriamente alle applicazioni commerciali, Ajayan vuole renderli ancora migliori. Ajayan osserva che, finora, hanno solo testato la capacità dei cavi a doppia parete di trasportare corrente alternata. L'elettricità viene trasmessa su lunghe distanze sotto forma di corrente alternata. Un obiettivo separato, afferma Ajayan, è rendere i cavi ancora più conduttivi del rame. Un modo per farlo è realizzare cavi funzionanti da nanotubi di carbonio a parete singola, che sono intrinsecamente più conduttivi, ma sono stati difficili da filare nelle fibre.

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