Najnovije otkriće s Rice Sveučilišta rezultat je istraživanja koje je trajalo više od deset godina, no unatoč tome izazvalo je popriličan šok. Znanstvenici s Ricea, Američkog ratnog zrakoplovstva i izraelskog Technion Instituta početkom su ovog mjeseca otkrili da su proizveli novu vrstu karbonskih mikrocijevi (CNT), odnosno mikrovlakana, koje izgledom sliče tekstilnom vlaknu, ali provode toplinu i struju poput metalne žice. U časopisu Science znanstvenici su opisali proces industrijske proizvodnje končanih niti čije karakteristike u mnogočemu nadilaze postojeće komercijalno dostupne materijale visokih performansi.
“Konačno imamo nano vlakno čije osobine ne posjeduje niti jedan drugi, do sada poznati, materijal” kaže vodeći istraživač na ovome projektu, Matteo Pasquali, inače profesor kemijskog i biomolekularnog inženjerstva i kemije na Sveučilištu Rice. “Izgleda poput običnog crnog pamučnog vlakna, no ponaša se poput metalne žice i jakog karbonskog vlakna, istovremeno”.
Istraživački tim sačinjavali su znanstvenici sa Sveučilišta Rice, Tejin Aramid sjedišta u Arnhemu u Nizozemskoj, Technion-Israel Institute of Technology iz Haife, te Air Force Research Laboratory (AFRL) iz Daytona, savezne države Ohio.
“Toplinska provodnost novog (CNT) vlakna približava se onoj najboljoj karbonskih vlakana, ali uz deset puta veću električnu provodnost”, kaže koautor studije Marcin Otto, znanstvenik iz Tejin Aramid kompanije. “Ugljična vlakna također su krta, dok su u usporedbi s njima novonastala CNT vlakna elastična poput tekstilnih niti. Očekujemo da će ovakva kombinacija karakteristika dovesti do nastanka novih proizvoda jedinstvenih osobina koji će svoju primjenu naći na tržištima iz područja zrakoplovne, svemirske, automobilističke, medicinske i dr. industrija”.
Izuzetna svojstva karbonskih nanocijevi zasjala su na znanstvenoj pozornici trenutkom njihova otkrića 1991. godine. Šuplja cjevčica sačinjena od čistog ugljika i široka približno poput DNK spirale otprilike je sto puta jača od čelične, uz jednu šestinu njene težine. Električna i toplinska provodnost nanocijevi može se nositi s onom najboljih vodiča, a također mogu služiti i kao poluvodiči, aplikatori raznih lijekova te čak kao spužve za upijanje raznih ulja.
Nažalost, nanocijevi su izuzetno osjetljive, te je unatoč njihovom izuzetnom potencijalu, vrlo teško raditi s njima. Pronalaženje sredstava za proizvodnju znatnih količina nanocijevi potrajalo je gotovo cijelo desetljeće. Znanstvenici su, također, najprije morali naučiti da postoji nekolicina različitih tipova nanocijevi, svaka s drugačijim fizičkim i električnim svojstvima, a na njima je još da nauče ciljano proizvesti željeni tip ,umjesto, kako je to sada slučaj, klupčastih tvorevina sačinjenih od različitih vrsta nanocijevi.
Proizvodnja većih objekata od tih klupčastih nakupina nanocijevi predstavlja izazov. Nitasta vlakna debela samo četvrtinu debljine ljudske kose mogu biti zapletena uz desetke milijuna drugih nanocijevi. U idealnom slučaju, one će biti idealno poredane poput olovaka u kutiji. Neki laboratoriji istražuju kako proizvesti rast cjelovitih nanocijevi, no takva proizvodnja je spora, a time i neučinkovita u usporedbi s proizvodnom metodom koja počiva na kemijskom procesu nazvanom “mokro pletenje”. Ovim se procesom klupka sirovih nanocjevčica razdvajaju u tekućini i ispredaju u duge niti kroz sito uskih rupica.
Ukratko, nakon dolaska na Rice Sveučilište 2000. godine, Pasquali počinje s istraživanjem dobivanja CNT-a metodom “mokrog pletenja”, zajedno s pokojnim pionirom nanotehnologije Richardom Smalleyem s Instituta za nanotehnologiju. 2003. godine, dvije godine prije njegove prerane smrti, Smally je s Pasqualiem i ostalim kolegama radio na stvaranju prvih čistih vlakana nanocijevi. Taj rad zasnivaju na industrijskom proizvodnom smislu značajnom procesu “mokrog pletenja” nanocijevi, koji je analogan metodi proizvodnje aramidnih vlakana visokih performansi, poput Tejinovih Tearon sintetičkih vlakana koji se koriste pri izradi neprobojnih prsluka i drugih proizvoda. No proces je trebalo doraditi. U početku, dobivena vlakna nisu bila dovoljno jaka i provodna radi neporavnanja i unutarnjih praznina između milijuna nanocijevi od kojih su vlakna sačinjena.
“Postizanje vrlo kompaktne građe i posloženost karbonskih cijevi unutar vlakana je ključno”, kaže koautor istraživanja Yeshayahu Talmon, direktor Technion’s Russell Berrie Instituta nanotehnologije, koji je započeo suradnju s Pasqualijem prije pet godina.
Sljedeće veliko otkriće se dogodilo 2009. godine, kada je Pasquali sa svojim kolegama pronašao prvo otapalo za nanocijevi – klorosulfatnu kiselinu. Sada su po prvi puta znanstvenici mogli proizvesti visoko koncentriranu otopinu nanocijevi, što je dovelo do napretka u njihovom poravnanju i kompaktnosti.
“Do tada se smatralo kako korištenje klorosulfatne kiseline pri vrtnji nije moguće radi njene reakcije s vodom”, kaže Pasquali. “Postdiplomac Natnael Bahabtu je u mom laboratoriju pronašao jednostavan način kojim se CNT može presti pomoću klorosulfatne kiseline. To je bilo kritično za ovaj novi proces”, nadodaje Pasquali.
Pasquali tvrdi kako su drugi laboratoriji pronašli da se čvrstoća i provodljivost ispredenih niti može unaprijediti ukoliko je početni materijal (klupko sirovih nanocijevi) sačinjen od dugačkih nanocijevi sa što manje atomskih nedostataka. 2010. godine, Pasquali i Talmon počinju eksperimentirati s nanocijevima raznih proizvođača, te suradnjom sa znanstvenicima Američkih zračnih snaga (AFRL) dobivaju precizne podatke o električnoj vodljivosti i termičkim osobinama poboljšanih vlakana.
Istovremeno, Otto je vršio procjenu metoda različitih istraživačkih centara, kako bi odredio onu najbolju za proizvodnju CNT vlakana. Kombinirajući Pasqualijeva otkriće, Tejin Aramidov “know-how” i korištenjem duge cijevi CNT-a stvorena su unaprijeđena CNT vlakna visokih performansi. 2010. Tejin Armid pokreće i financira zajednički projekt s Rice Sveučilištem, te dolazi do suradnje između kompanijinih najboljih stručnjaka za pređenje nanovlakana i znanstvenika sa Sveučilišta.
“Tejinova znanstvena i tehnička pomoć trenutno je dovela do poboljšanja čvrstoće i provodljivosti”, kaže Pasquali.
Koautor studije Junichiro Kono, profesor elektrotehnike i računalnog inženjerstva na Sveučilištu Rice, kaže: “Istraživanje pokazuje da se električna provodljivost vlakna može ugoditi i optimizirati tehnikama korištenim nakon početne proizvodnje. To je dovelo do najviše ikad prijavljene vodljivosti makroskopskih CNT vlakana”.
Kako je objavljeno u časopisu Science, vlakna imaju deset puta veću čvrstoću te električnu i toplinsku provodnost, od dosad najveće prijavljenih kod “mokro pletenih” CNT vlakana. Specifična vodljivost električne struje novih vlakana može se mjeriti s onom bakrenih, zlatnih i aluminijskih žica, a daleko je bolja od onih čeličnih.
Na primjer, jedna od primjena gdje visoka čvrstoća i električna provodljivost mogu biti prednost je kod low-power aplikacija, objašnjava Pasquali.
“Metalne žice se lome u valjcima i ostalim proizvodnim strojevima, ukoliko su pretanki. U mnogo slučajeva koriste se mnogo deblje metalne žice nego li je to potrebno, jednostavno iz razloga jer proizvođaču nije opravdana proizvodnja tanjih žica. Dobar primjer za to su kablovi za prijenos podataka”, zaključuje Pasquali.
Izvor: Rice University
