(Phys.org) —Rice Universitys senaste genombrott i nanoteknik var mer än tio år på gång, men det kom ändå med en chock. Forskare från Rice, det nederländska företaget Teijin Aramid, U.S. Air Force och Israels Technion Institute presenterade i veckan en ny fiber av nanorör i kolfiber (CNT) som ser ut och fungerar som textiltråd och leder elektricitet och värme som en metalltråd. I veckans nummer av Vetenskap , forskarna beskriver en industriellt skalbar process för att göra de trådliknande fibrerna, som överträffar kommersiellt tillgängliga högpresterande material på ett antal sätt.

"Vi har äntligen en nanorörsfiber med egenskaper som inte finns i något annat material, "sa huvudforskaren Matteo Pasquali, professor i kemisk och biomolekylär teknik och kemi vid Rice. "Det ser ut som svart bomullstråd men beter sig som både metalltrådar och starka kolfibrer."

Forskargruppen inkluderar akademiska, statliga och industriella forskare från Rice; Teijin Aramids huvudkontor i Arnhem, Nederländerna; Technion-Israel Institute of Technology i Haifa, Israel; och Air Force Research Laboratory (AFRL) i Dayton, Ohio.

"De nya CNT -fibrerna har en värmeledningsförmåga som närmar sig den hos de bästa grafitfibrerna men med 10 gånger större elektrisk konduktivitet, "sa studiemedförfattaren Marcin Otto, affärsutvecklingschef på Teijin Aramid. "Grafitfibrer är också spröda, medan de nya CNT -fibrerna är lika flexibla och sega som en textiltråd. Vi förväntar oss att denna kombination av fastigheter kommer att leda till nya produkter med unika möjligheter för rymd, bil, medicinska och smarta klädmarknader. "

De fenomenala egenskaperna hos kolnanorör har trollbundet forskare från det att de upptäcktes 1991. De ihåliga rören av rent kol, som är nästan lika breda som en DNA -sträng, är ungefär 100 gånger starkare än stål vid en sjättedel av vikten. Nanorörs ledande egenskaper - för både el och värme - konkurrerar med de bästa metallledarna. De kan också fungera som ljusaktiverade halvledare, läkemedelsleveranser och till och med svampar för att suga upp olja.

Tyvärr, kolnanorör är också primadonna av nanomaterial; de är svåra att arbeta med, trots deras utsökta potential. Till att börja, det tog nästan ett decennium att hitta medel för att producera bulkmängder av nanorör. Forskare fick också tidigt veta att det fanns flera dussin typer av nanorör - var och en med unika material och elektriska egenskaper; och ingenjörer har ännu inte hittat ett sätt att producera bara en typ. Istället, alla produktionsmetoder ger en massa olika typer, ofta i hårbollliknande klumpar.

Att skapa stora objekt från dessa klumpar av nanorör har varit en utmaning. En trådliknande fiber som är mindre än en fjärdedel av tjockleken på ett människohår kommer att innehålla tiotals miljoner nanorör packade sida vid sida. Helst, dessa nanorör kommer att anpassas perfekt - som pennor i en låda - och tätt packade. Vissa laboratorier har undersökt hur man odlar sådana fibrer hela, men produktionshastigheterna för dessa "fasta" fibrer har visat sig ganska långsamma jämfört med fiberproduktionsmetoder som bygger på en kemisk process som kallas "våtspinning". I denna process, klumpar av råa nanorör löses i en vätska och sprutas genom små hål för att bilda långa trådar.

Strax efter ankomsten till Rice 2000, Pasquali började studera CNT-metoder för våtspinning med avlidne Richard Smalley, en pionjär inom nanoteknik och namnet på Rices Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. År 2003, två år före hans otidiga död, Smalley arbetade med Pasquali och kollegor för att skapa de första rena nanorörsfibrerna. Arbetet etablerade en industriellt relevant våtspinningsprocess för nanorör som var analog med metoderna som används för att skapa högpresterande aramidfibrer-som Teijins Twaron-som används i skottsäkra västar och andra produkter. Men processen behövde förädlas. Fibrerna var inte särskilt starka eller ledande, delvis på grund av luckor och felriktning av de miljoner nanorören inuti dem.

"Att uppnå mycket hög packning och anpassning av kolnanorören i fibrerna är avgörande, "säger studiens medförfattare Yeshayahu Talmon, chef för Technions Russell Berrie Nanotechnology Institute, som började samarbeta med Pasquali för ungefär fem år sedan.

Nästa stora genombrott kom 2009, när Talmon, Pasquali och kollegor upptäckte det första riktiga lösningsmedlet för nanorör - klorsulfonsyra. För första gången, forskare hade ett sätt att skapa högkoncentrerade lösningar av nanorör, en utveckling som ledde till förbättrad uppriktning och packning.

"Tills dess, ingen trodde att det var möjligt att spinna ur klorsulfonsyra eftersom den reagerar med vatten, "Sa Pasquali." En doktorand i mitt labb, Natnael Bahabtu, hittade enkla sätt att visa att CNT -fibrer kan spinnas från klorsulfonsyralösningar. Det var avgörande för den här nya processen. "

Pasquali sa att andra laboratorier hade funnit att styrkan och konduktiviteten hos spunna fibrer också kunde förbättras om utgångsmaterialet - klumparna av råa nanorör - innehöll långa nanorör med få atomfel. År 2010, Pasquali och Talmon började experimentera med nanorör från olika leverantörer och arbetade med AFRL -forskare för att mäta de exakta elektriska och termiska egenskaperna hos de förbättrade fibrerna.

During the same period, Otto was evaluating methods that different research centers had proposed for making CNT fibers. He envisaged combining Pasquali's discoveries, Teijin Aramid's know-how and the use of long CNTs to further the development of high performance CNT fibers. År 2010, Teijin Aramid set up and funded a project with Rice, and the company's fiber-spinning experts have collaborated with Rice scientists throughout the project.

"The Teijin scientific and technical help led to immediate improvements in strength and conductivity, " Pasquali said.

Study co-author Junichiro Kono, a Rice professor of electrical and computer engineering, sa, "The research showed that the electrical conductivity of the fibers could be tuned and optimized with techniques that were applied after initial production. This led to the highest conductivity ever reported for a macroscopic CNT fiber."

The fibers reported in Vetenskap have about 10 times the tensile strength and electrical and thermal conductivity of the best previously reported wet-spun CNT fibers, Pasquali said. The specific electrical conductivity of the new fibers is on par with copper, gold and aluminum wires, but the new material has advantages over metal wires.

Till exempel, one application where high strength and electrical conductivity could prove useful would be in data and low-power applications, Pasquali said.

"Metal wires will break in rollers and other production machinery if they are too thin, " he said. "In many cases, people use metal wires that are far more thick than required for the electrical needs, simply because it's not feasible to produce a thinner wire. Data cables are a particularly good example of this."