Kolnanorörsfibrer gjorda vid Rice University är nu starkare än Kevlar och ökar ledningsförmågan hos koppar.

Rice-labbet av kemi- och biomolekylär ingenjör Matteo Pasquali rapporterade i Kol den har utvecklat sina starkaste och mest ledande fibrer hittills, gjorda av långa kolnanorör genom en våtspinningsprocess.

I den nya studien ledd av Rice-studenterna Lauren Taylor och Oliver Dewey, forskarna noterade att våtspunnna nanorörsfibrer i kol, vilket kan leda till genombrott inom en mängd medicinska och materialtillämpningar, har fördubblats i styrka och ledningsförmåga vart tredje år, en trend som sträcker sig över nästan två decennier.

Även om det kanske aldrig efterliknar Moores lag, som satte ett riktmärke för framsteg i datorchips i decennier, Pasquali och hans team gör sin del för att utveckla metoden de banat väg för att tillverka nanorörsfibrer i kol.

Labbets trådliknande fibrer, med tiotals miljoner nanorör i tvärsnitt, studeras för användning som broar för att reparera skadade hjärtan, som elektriska gränssnitt med hjärnan, för användning i cochleaimplantat, som flexibla antenner och för fordons- och flygtillämpningar.

De är också en del av Carbon Hub, ett forskningsinitiativ för flera universitet som lanserades 2019 av Rice med stöd från Shell, Prysmian och Mitsubishi för att skapa en framtid med nollutsläpp.

"Kolnanorörsfibrer har länge hyllats för sina potentiella överlägsna egenskaper, ", sa Pasquali. "Två årtionden av forskning på Rice och på andra håll har gjort denna potential till verklighet. Nu behöver vi en världsomspännande ansträngning för att öka produktionseffektiviteten så att dessa material kan tillverkas med noll koldioxidutsläpp och potentiellt med samtidig produktion av rent väte."

"Målet med denna uppsats är att presentera rekordegenskaperna för fibrerna som produceras i vårt labb, ", sa Taylor. "Dessa förbättringar betyder att vi nu överträffar Kevlar när det gäller styrka, vilket för oss är en riktigt stor bedrift. Med bara ytterligare en fördubbling, vi skulle överträffa de starkaste fibrerna på marknaden."

De flexibla risfibrerna har en draghållfasthet på 4,2 gigapascal (GPa), jämfört med 3,6 GPa för kevlarfibrer. Fibrerna kräver långa nanorör med hög kristallinitet; det är, regelbundna arrayer av kolatomringar med få defekter. Den sura lösningen som används i risprocessen hjälper också till att minska föroreningar som kan störa fiberstyrkan och förbättrar nanorörens metalliska egenskaper genom restdopning, sa Dewey.

"Längden, eller bildförhållande, av nanorören är den definierande egenskapen som driver egenskaperna i våra fibrer, " han sa, att notera ytan på de 12 mikrometers nanorör som används i risfiber underlättar bättre van der Waals-bindningar. "Det hjälper också att samarbetspartnerna som odlar våra nanorör optimerar för lösningsbearbetning genom att kontrollera antalet metalliska föroreningar från katalysatorn och vad vi kallar amorfa kolföroreningar."

Forskarna sa att fibrernas ledningsförmåga har förbättrats till 10,9 megasiemens (miljoner siemens) per meter. "Det här är första gången en nanorörsfiber i kol har passerat tröskeln på 10 megasiemens, så vi har uppnått en ny storleksordning för nanorörsfibrer, " sa Dewey. Normaliserad för vikt, han sa att risfibrerna uppnår cirka 80 % av kopparns ledningsförmåga.

"Men vi överträffar platinatråd, vilket är en stor bedrift för oss, " sa Taylor, "och fiberns värmeledningsförmåga är bättre än någon metall och alla syntetiska fibrer, med undantag för beck-grafitfibrer."

Labbets mål är att göra produktionen av överlägsna fibrer effektiv och billig nog att införlivas av industrin i stor skala, sa Dewey. Lösningsbearbetning är vanligt vid tillverkning av andra typer av fibrer, inklusive Kevlar, så att fabriker kunde använda välbekanta processer utan större omverktyg.

"Fördelen med vår metod är att det i huvudsak är plug-and-play, ", sa han. "Det är i sig skalbart och passar in i hur syntetfibrer redan tillverkas."

"Det finns en föreställning om att kolnanorör aldrig kommer att kunna få alla egenskaper som människor har hypat nu i årtionden, ", sa Taylor. "Men vi gör goda vinster år efter år. Det är inte lätt, men vi tror fortfarande att den här tekniken kommer att förändra världen."

Medförfattare till uppsatsen är Rice-alumnen Robert Headrick; doktorander Natsumi Komatsu och Nicolas Marquez Peraca; Geoff Wehmeyer, en biträdande professor i maskinteknik; och Junichiro Kono, Karl F. Hasselmann professor i teknik och professor i elektro- och datateknik, av fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoteknik. Pasquali är A.J. Hartsook professor i kemisk och biomolekylär teknik, av kemi och materialvetenskap och nanoteknik.