Δημιουργούνται πολύ ισχυρά νήματα από νανοσωλήνες άνθρακα

Από σελίδα του NewScientist, 12 Ιουνίου 2003

Ρούχα που αντί για τις συνηθισμένες υφάνσιμες ύλες θα χρησιμοποιούν νανοσωλήνες από άνθρακα μήκους μέχρι και 100 μέτρων και θα είναι αγώγιμα, είναι πολύ κοντά στη δημιουργία τους. Οι ίνες αυτές θα είναι ισχυρότερες από οποιαδήποτε άλλη  γνωστή φυσική ή συνθετική οργανική ίνα.

Τα υλικά που θα γίνουν από τέτοια ισχυρά νήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να φτιάχνονται αλεξίσφαιρα γιλέκα καθώς θα είναι τόσο ελαφρά όπως και μια μπλούζα. Και οι ηλεκτρικές ιδιότητές τους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να μπουν μικροσένσορες στα ρούχα μας, για να μετρούν από τη θερμοκρασία έως το ρυθμό των καρδιακών παλμών.

Επίσης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε τεχνητούς μυς, σε κυψέλες αποθήκευσης υδρογόνου και σε επίπεδες οργανικές οθόνες.

Δεξιά:  Τα μισά από τα νήματα σε αυτό το κλωστοϋφαντουργικό προϊόν θα είναι μαύρα νήματα νανοσωλήνων από άνθρακα. 

Τα νήματα από νανοσωλήνες, που δημιουργούνται από τον Ray Baughman και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο του Τέξας και του Trinity College στο Δουβλίνο, έχουν αντοχή τάνυσης -η μεγαλύτερη δύναμη που μπορεί να ασκηθεί χωρίς μόνιμη παραμόρφωση-  ίδια με το πιο σκληρό φυσικό υλικό, τον ιστό της αράχνης. Ενώ η ενέργεια που μπορεί να απορροφήσει χωρίς να σπάσει είναι 570 Joule ανά γραμμάριο, τρεις φορές μεγαλύτερη από τον ιστό της αράχνης. Μάλιστα είναι πέντε φορές πιο ισχυρό από το ατσάλι και ξεπερνάει ακόμη και το kevlar. 

Ένα τμήμα του νήματος διαμέτρου περίπου 50 μικρά περιέχει δεκάδες εκατομμυρίων μικροσκοπικών νανοσωλήνων από άνθρακα. Για να παραγάγει τα νήματα αυτά, η ομάδα του Baughman ανέπτυξε μια τεχνική που είχε χρησιμοποιηθεί από τον Philippe Poulin, στο CNRS στο Μπορντώ της Γαλλίας.

Οι ερευνητές μπόρεσαν να υφάνουν νήματα μήκους 100 μέτρων με ρυθμό 70 cm το λεπτό.

Η ίνα περιέχει 60% νανοσωλήνες μονού τοιχώματος, από άνθρακα, τον οποίο τοποθέτησαν σε ένα περιστρεφόμενο λουτρό ένυδρης πολυβινυλικής αλκοόλης, δημιουργώντας ζελατινώδεις ίνες, που στη συνέχεια έπηξαν , ξεπλύθηκαν με ασετόνη και υφάνθηκαν.

"Δεν ήμαστε σε θέση να βρούμε οποιοδήποτε υλικό που είναι πιο σκληρό από αυτές τις σύνθετες ίνες", λέει ο Baughman." Η ανθεκτικότητα της ίνας πιθανώς δημιουργείται από δομικές αλλαγές κατά τη διάρκεια της έκτασης. Αυτό ευθυγραμμίζει τους νανοσωλήνες προς την κατεύθυνση των ινών".

Η νέα μέθοδος πλεονεκτεί σε αποτελέσματα και σε ταχύτητα συγκριτικά με την τεχνική που είχε εφαρμοστεί για την πρώτη επιτυχή απόπειρα κατασκευής νημάτων από νανοσωλήνες το 2000. 

Πιo πορώδης

Ο Poulin εντυπωσιάζεται από αυτά τα αποτελέσματα: "Είναι οι πρώτοι άνθρωποι που παραγάγουν ίνες με αυτά τα χαρακτηριστικά. Ειδικά η ανθεκτικότητα του νήματος είναι εντυπωσιακή."

Τα νήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως πυκνωτές για αποθήκευση πολύ μικρών ηλεκτρικών φορτίων και σε ηλεκτρικές συσκευές που θα ενσωματώνονται στα ρούχα. Αλλά η βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων είναι οι βασικές μελλοντικές προκλήσεις, λέει ο Poulin, για να γίνουν έτσι πιο αγώγιμοι και πιο πορώδεις.

"Αυτές είναι οι κρίσιμες ιδιότητες για την οικοδόμηση αισθητήρων από αυτό το υλικό, και για την κατασκευή ελαφρύτερων ινών που θα είναι ακόμα περισσότερο αγώγιμες", συμπληρώνει.

Αναφορά περιοδικού: Nature (τεύχος 423, σ. 703)

Νανοσωλήνες

Είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα, που ανακάλυψε ο Sumio Itjima της εταιρείας NEC. Η δομή τους μοιάζει με αυτή του κοινού γραφίτη και την παρασκεύασε ο Amelinckx. Οι νανοσωλήνες σχηματίζουν σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 1nm και μανδύα από αλλεπάλληλα στρώματα εξαγωνικών δικτύων άνθρακα. Οι ιδιότητες τους μηχανικές και ηλεκτρικές είναι σπουδαίες και οφείλονται στη σωληνοειδή τους δομή. Αυτές είναι μεγάλη αντοχή, χαμηλό βάρος, σταθερότητα, ευκαμψία, καλή θερμική αγωγιμότητα, το μεγάλο εμβαδόν επιφανείας και πολλές άλλες ηλεκτρικές ιδιότητες.

Τέτοιοι σωλήνες στη θερμοκρασία δωματίου συγκρατούν υδρογόνο, μέχρι 10% του βάρους των νανοσωλήνων.

Τα άκρα των νανοσωλήνων είναι οξύτατα και εκπέμπουν ηλεκτρόνια μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Προβλέπεται πως μπορεί να έχουν μεγαλύτερη αξία για φωτεινές οθόνες, όταν κατορθωθεί ο παραλληλισμός τους. Νανοσωλήνες βρέθηκαν και στη φύση σε σημεία όπου έχουν πέσει μετεωρίτες ή κεραυνοί. Μερικές χρήσεις των νανοσωλήνων είναι:

• Τρανζίστορ και δίοδοι

• Πεδίο εκπομπής για επίπεδες οθόνες

• Ενίσχυση σήματος κινητών τηλεφώνων

• Αποθήκευση ιόντων για συσσωρευτές

• Ενίσχυση υλικών

• Χρήση ως πολυμερών πρόσθετων ουσιών

Ο Noriaki Hamada της NEC και ο Mildred Dresselhaus της MIT ανακάλυψαν στο παρελθό, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, μια ιδιότητα. Αν ενωθούν μια σειρά εξαγώνων κατά τον επιμήκη άξονα του νανοσωλήνα σε ευθεία διάταξη, τότε ο σωλήνας θα συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και θα άγει ηλεκτρισμό. Αν όμως μια σειρά εξαγώνων τοποθετηθεί σε σχηματισμό έλικας, ο σωλήνας λειτουργεί σαν ημιαγωγός.

Επίσης σχεδιάζεται η αντικατάσταση του πυριτίου από νανοσωλήνες στην νανοηλεκτρονική ή σαν διακόπτης γιατί μπορεί κάτω από ορισμένη δομή να συμπεριφέρεται σαν ημιαγωγός.