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Nanotubi trasformati in superfibre
I nanotubi di carbonio hanno una forza e una conduttività superlative, ma nei due decenni successivi alla loro scoperta si è rivelato difficile ricavarne lunghi filamenti che potessero trarre vantaggio da tali proprietà. Ora i ricercatori della Rice University e dell'azienda olandese di materiali Teijin Aramid stanno realizzando fibre di nanotubi filiformi che combinano la conduttività elettrica dei metalli con la forza dei compositi di carbonio e sono leggere, flessibili e termicamente conduttive.
Carbone brillante: Questo diodo a emissione di luce da 46 grammi è tenuto in alto da due fibre di nanotubi spesse 24 micrometri. Le fibre trasportano anche corrente elettrica alla lampadina.
Teijin Aramid, con sede ad Arnhem, Paesi Bassi, e uno dei principali produttori di fibre ad alta resistenza, prevede di commercializzare i materiali a base di nanotubi, probabilmente prima nei cablaggi per aerei e satelliti, e infine in tessuti elettronici e impianti medici che resistono alla corrosione.
I singoli nanotubi di carbonio sono tra i materiali conosciuti più resistenti e conduttivi. Ma la maggior parte dei tentativi di costruire materiali più grandi da loro si traduce in un disordine intricato che non ha nessuna di queste proprietà. Il problema è che per realizzare tali materiali è necessario allineare i nanotubi.
Nel 2003, i ricercatori della Rice University guidati da Richard Smalley ha realizzato le prime fibre di nanotubi di carbonio eseguendo una sospensione liquida di nanotubi attraverso un filatoio per fibre dello stesso tipo utilizzato per produrre fibre polimeriche commerciali come Kevlar e Twaron di DuPont, prodotto da Teijin Aramid. La logica era che i nanotubi scorressero attraverso il liquido e si allineassero l'uno con l'altro come tronchi che galleggiano su un fiume. Questo allineamento dovrebbe rendere la fibra più forte e più conduttiva. Tuttavia, le proprietà di queste prime fibre non erano molto buone, afferma Matteo Pasquali , che ora guida il progetto delle fibre di nanotubi alla Rice. Mentre altri gruppi si sono dedicati alla produzione di fogli e fibre di nanotubi da materiali secchi, il gruppo Rice è rimasto fedele al suo metodo.
All'epoca, non funzionava molto bene con i nanotubi, ma Pasquali e Smalley credevano che se potevano migliorare il processo di filatura, alla fine avrebbero portato a fibre con proprietà migliori rispetto ai metodi a secco, e sarebbero stati suscettibili di produzione su larga scala come quello fatto con i polimeri.
Ora quella decisione ha dato i suoi frutti, dice Pasquali. Lavorando con Teijin Aramid, il gruppo Rice ha ora realizzato fibre di nanotubi di carbonio che hanno più proprietà dei singoli nanotubi. Hanno una conduttività elettrica vicina a quella del rame, ma sono molto più forti. Non sono così resistenti come le fibre di carbonio convenzionali, ma sono molto meno fragili. E sono più conduttivi termicamente del metallo o della fibra di carbonio. Ciò significa che le fibre di nanotubi potrebbero sostituire questi materiali nelle applicazioni esistenti nel settore aerospaziale ed elettronico e consentire nuove tecnologie che sfruttano la combinazione unica di forza, flessibilità e conduttività termica ed elettrica delle fibre. Pasquali immagina tessuti elettronici lavabili, cavi leggeri per aerei e, infine, cavi più efficienti per la rete elettrica.
I filamenti hanno uno spessore di circa 25 micrometri e possono essere intrecciati in fili più spessi per sostenere carichi più pesanti o per trasportare più corrente. Pasquali afferma che il gruppo ora può produrre i materiali dei nanotubi in continuo e che ci vogliono un paio d'ore per produrre poche centinaia di metri. Questo lavoro è descritto nella rivista Scienza .
Marcin Otto, responsabile dello sviluppo aziendale presso Teijin Aramid, afferma che poiché le fibre sono realizzate utilizzando un processo di filatura a umido, hanno proprietà migliori rispetto a quelle realizzate con nanotubi secchi. Ma, ammette, Teijin Aramid dovrà dimostrare di essere in grado di produrre su scala più ampia.
Otto afferma che Teijin Aramid sta ora esaminando vari mercati potenziali. Una possibilità sono i tessuti multifunzionali leggeri per indumenti intelligenti che integrano sensori medici, antenne e altri dispositivi e possono sopravvivere allo stress della piegatura e resistere alla corrosione in lavatrice. Ma è probabile che le prime applicazioni si trovino in mercati come i cablaggi elettrici per l'aerospaziale e la difesa, dove ogni grammo di peso è fondamentale. Innanzitutto, l'azienda deve eseguire l'ingegneria e i test necessari per assicurarsi che le fibre possano essere ridimensionate per realizzare un prodotto affidabile.