Rice Universitys forskare har uppnått ett avgörande genombrott i utvecklingen av en kabel som kommer att göra ett framtida effektivt elnät möjligt.

Fåtölj kvanttråd (AQW) kommer att vara en väv av metalliska nanorör som kan bära elektricitet med försumbar förlust över långa avstånd. Det kommer att vara en idealisk ersättning för landets kopparbaserade nät, som läcker el med uppskattningsvis 5 procent per 100 miles av överföring, sa riskemisten Andrew R. Barron, författare till en artikel om det senaste steget framåt som publicerats online av tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver.

Ett viktigt tekniskt hinder i utvecklingen av denna "mirakelkabel, " sade Barron, är tillverkning av enorma mängder metalliska enkelväggiga kolnanorör, dubbade fåtöljer för sin unika form. Fåtöljer är bäst för att bära ström, men kan ännu inte göras ensam. De växer i omgångar med andra typer av nanorör och måste separeras, vilket är en svår process med tanke på att ett människohår är 50, 000 gånger större än ett enda nanorör.

Barrons labb visade ett sätt att ta små partier av individuella nanorör och göra dem dramatiskt längre. Helst långa nanorör för fåtöljer kan skäras, återsådd med katalysator och återväxt på obestämd tid.

Uppsatsen skrevs av doktoranden och första författaren Alvin Orbaek, student Andrew Owens och Barron, Charles W. Duncan Jr.-Welch professor i kemi och professor i materialvetenskap.

Amplifiering av nanorör sågs som ett nyckelsteg mot den praktiska tillverkningen av AQW av den avlidne Rice-professorn, nanoteknikpionjären och nobelpristagaren Richard Smalley, som arbetade nära med Barron och Rice kemisten James Tour, T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik och materialvetenskap och i datavetenskap, att anlägga en väg för dess utveckling.

Barron gav Orbaek uppdraget att följa upp när han började på labbet för fem år sedan. "När jag först hörde talas om Rice University, det var på grund av Rick Smalley och kolnanorör, sade Orbaek, en infödd i Irland. "Han hade en stor global närvaro när det gäller nanoteknik, och det nådde mig.

"Så jag var glad över att komma hit och upptäckte att jag skulle arbeta med tillväxt av nanorör som var relaterad till Smalleys arbete."

Orbaek sa att han inte har avvikit långt från Barrons ursprungliga riktning, vilket innebar att man kemiskt fäster en järn/koboltkatalysator till ändarna av nanorör och sedan finjusterar temperaturen och miljön i vilken amplifiering kunde ske.

"Min grupp, med Smalley och Tours grupp, visade att du kunde göra detta -- men i den första demonstrationen, vi har bara ett rör att växa av hundratals eller tusentals, " sa Barron. Efterföljande experiment höjde avkastningen, men rörtillväxten var minimal. I andra försök, katalysatorn skulle bokstavligen äta - eller "etsa" - nanorören, han sa.

Att förfina processen har tagit år, men vinsten är tydlig eftersom upp till 90 procent av nanorören i en batch nu kan förstärkas till betydande längder, sa Barron. De senaste experimenten fokuserade på enkelväggiga kolnanorör av olika kiraliteter, men forskarna tror att resultaten skulle vara lika bra, och förmodligen ännu bättre, med ett parti orörda fåtöljer.

Nyckeln var att hitta den rätta balansen mellan temperaturer, tryck, reaktionstider och katalysatorförhållanden för att främja tillväxt och fördröja etsning, sa Barron. Medan den initiala tillväxten ägde rum vid 1, 000 grader Celsius, forskarna fann att förstärkningssteget krävde en sänkning av temperaturen med 200 grader, förutom att justera kemin för att maximera utbytet.

"Vad vi kommer till är den där söta platsen där de flesta av nanorören växer och ingen av dem etsar, sa Barron.

Wade Adams, chef för Rices Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology och huvudutredare för AQW-projektet, jämförde tekniken med att göra surdegsbröd. "Du gör en liten sats av rena metaller och förstärker sedan det enormt för att göra en stor mängd. Detta är ett viktigt steg för att utveckla vetenskapen för att göra AQW.

Adams noterade åtta Rice-professorer och dussintals av deras studenter arbetar med aspekter av AQW. "Vi vet hur man spinner nanorör till fibrer, och deras egenskaper förbättras också snabbt, ", sa han. "Allt detta måste nu samlas i ett stort program för att förvandla kvanttrådar till en produkt som kommer att bära stora mängder elektricitet runt om i världen."

Barron och hans team fortsätter att finjustera sin process och hoppas att de till slutet av sommaren kan börja förstärka nanorör för fåtöljer med målet att göra stora mängder rena metaller. "Vi lär oss hela tiden mer om de mekanismer genom vilka nanorör växer, sade Orbaek, som ser slutspelet som utvecklingen av en enda ugn för att odla nanorör från grunden, täck dem med ny katalysator, förstärka dem och lägga ut en jämn ström av fiber för kablar.

"Vad vi har gjort är ett babysteg, " sa han. "Men det bekräftar att, i den stora bilden, fåtölj kvanttråd är tekniskt genomförbart."

Orbaek sa att han är glad över att spela en roll i att uppnå förstärkning, som Smalley erkände som nödvändigt för sin dröm om ett effektivt energinät som skulle katalysera lösningar på många av världens problem.

"Jag skulle älska att träffa honom nu för att säga, 'Hallå, man, du hade rätt, '" han sa.