Ett internationellt forskarlag baserat vid University of Texas i Dallas har tillverkat elektriskt ledande fibrer som kan sträckas reversibelt till över 14 gånger sin ursprungliga längd och vars elektriska ledningsförmåga ökar 200 gånger när de sträcks.

Forskargruppen använder de nya fibrerna för att göra konstgjorda muskler, samt kondensatorer vars energilagringskapacitet ökar cirka tio gånger när fibrerna sträcks. Fibrer och kablar härledda från uppfinningen kan en dag användas som sammankopplingar för superelastiska elektroniska kretsar; robotar och exoskelett med stor räckvidd; morphing flygplan; töjningssensorer i jätteområde; felfria pacemakerledningar; och superstretchiga laddarsladdar för elektroniska enheter.

I en studie publicerad i 24 juli-numret av tidskriften Vetenskap , forskarna beskriver hur de konstruerade fibrerna genom att linda in lättare än luft, elektriskt ledande ark av små kolnanorör för att bilda en gelérullliknande mantel runt en lång gummikärna.

De nya fibrerna skiljer sig från konventionella material på flera sätt. Till exempel, när konventionella fibrer sträcks, den resulterande ökningen i längd och minskning av tvärsnittsarea begränsar flödet av elektroner genom materialet. Men även en "gigantisk" sträcka av de nya ledande mantel-kärnfibrerna orsakar liten förändring i deras elektriska motstånd, sa Dr Ray Baughman, senior författare av tidningen och chef för Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas.

En nyckel till prestandan hos de nya ledande elastiska fibrerna är införandet av buckling i kolnanorörsarken. Eftersom gummikärnan sträcks längs sin längd när arken lindas runt den, när det lindade gummit slappnar av, kolnanofibrerna bildar en komplex bucklig struktur, vilket möjliggör upprepad sträckning av fibern.

"Tänk på knäckningen som uppstår när ett dragspel komprimeras, vilket gör dragspelets oelastiska material töjbart, sa Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry vid UT Dallas.

"Vi gör de oelastiska nanorörshylsorna i våra fodralfibrer supertöjbara genom att modulera stora spännen med små spännen, så att förlängningen av båda spännetyperna kan bidra till elasticiteten. Dessa fantastiska fibrer bibehåller samma elektriska motstånd, även när det sträcks av enorma mängder, eftersom elektroner kan färdas över en sådan hierarkiskt bucklig mantel lika lätt som de kan passera en rak mantel."

Dr Zunfeng Liu, huvudförfattare till studien och en forskarassistent vid NanoTech Institute, sade att strukturen hos fibrerna i mantel-kärnan "har ytterligare intressant och viktig komplexitet." Spännen bildas inte bara längs fiberns längd, men också runt dess omkrets.

"Att krympa fiberns omkrets under fibersträckning orsakar denna andra typ av reversibel hierarkisk buckling runt dess omkrets, även när bucklingen i fiberriktningen tillfälligt försvinner, ", sa Liu. "Denna nya kombination av buckling i två dimensioner undviker felinriktning av nanorörets och gummikärnan, vilket gör att det elektriska motståndet hos mantel-kärnfibern är okänslig för sträckning."

Genom att lägga till ett tunt överdrag av gummi till fibrerna i mantelkärnan och sedan ytterligare ett nanorörsskikt av kol, forskarna tillverkade belastningssensorer och konstgjorda muskler där de böjda nanorörsslidorna fungerar som elektroder och det tunna gummilagret är ett dielektrikum, vilket resulterar i en fiberkondensator. Dessa fiberkondensatorer uppvisade en kapacitansförändring på 860 procent när fibern sträcktes 950 procent.

"Ingen för närvarande tillgänglig materialbaserad töjningssensor kan arbeta över ett nästan lika stort töjningsintervall, " sa Liu.

Att lägga till twist till dessa fibrer med dubbla hölje resulterade i snabba, elektriskt drivna vrid- eller roterande konstgjorda muskler som kan användas för att rotera speglar i optiska kretsar eller pumpa vätskor i miniatyrenheter som används för kemisk analys, sa Dr Carter Haines BS'11, PhD'15, en forskarassistent vid NanoTech Institute och författare till artikeln.

I laboratoriet, Nan Jiang, en forskarassistent vid NanoTech Institute, visade att de ledande elastomererna kan tillverkas i diametrar som sträcker sig från de mycket små - cirka 150 mikron, eller dubbelt så bred som ett människohår – till mycket större storlekar, beroende på storleken på gummikärnan. "Enskilda små fibrer kan också kombineras till stora buntar och tvinnas ihop som garn eller rep, " Hon sa.

"Den här tekniken kan vara väl lämpad för snabb kommersialisering, " sa Dr. Raquel Ovalle-Robles MS'06 PhD'08, en författare på papper och chefsstrateg för forskning och immateriella rättigheter vid Lintec of America's Nano-Science &Technology Center.

"Gummikärnorna som används för dessa mantel-kärnfibrer är billiga och lättillgängliga, " sa hon. "Den enda exotiska komponenten är kolnanoröret aerogel-arket som används för fiberhöljet."

Förra året, UT Dallas licensierade till Lintec of America en process som Baughmans team utvecklade för att omvandla kolnanorör till storskaliga strukturer, såsom lakan. Lintec öppnade sitt Nano-Science &Technology Center i Richardson, Texas, mindre än 5 miles från UT Dallas campus, att tillverka aerogelark i kolnanorör för olika applikationer.