Reflejando la estructura de compuestos encontrados en la naturaleza y el mundo antiguo, los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han sintetizado textiles de nanotubos (CNT) de carbón fino que presentan alta conductividad eléctrica y un nivel de dureza que es alrededor de cincuenta veces mayor que la película de cobre, que actualmente se utiliza en electrónica.
Microscopio electrónico de barrido de Imágenes de textiles nanotubos de carbono (CNT) fabricados en Illinois. El esquema de color muestra la arquitectura de los CNTs auto-tejidos, y el inserto muestra un SEM de alta resolución de la inter difusión de CNT entre los diferentes parches debidos al empalme capilar. Crédito: Universidad de Illinois
"La robustez estructural de película fina de metal tiene gran importancia para la operación confiable de la piel inteligente y electrónica flexible incluyendo los sensores biológicos y estructurales de vigilancia de la salud", explicó Sameh Tawfick, profesor asistente de ciencia mecánica e ingeniería en Illinois. "Las láminas de nanotubos de carbono alineadas son convenientes para una amplia gama de aplicaciones que abarca desde la micro a la macro escalas incluyendo sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS), electrodos supercondensadores, cables eléctricos, músculos artificiales y compuestos multifuncionales."
"A nuestro conocimiento, este es el primer estudio para aplicar los principios de la mecánica de fractura para el diseño y estudio de la Resistencia de la nano arquitectura de los textiles CNT". El marco teórico de la mecánica de la fractura se muestra muy dura para una variedad de materiales lineal y no lineal"
Los nanotubos de carbono, que han estado alrededor desde principios de los noventa, han sido aclamados como 'un material de maravilla' para numerosas aplicaciones de la nanotecnología y con razón. Estas pequeñas estructuras cilíndricas hechas de láminas de grafeno envueltas tienen diámetro de pocos nanómetros, unas 1000 veces más delgados que un cabello humano, sin embargo, un nanotubo de carbono simple es más fuerte que el acero y las fibras de carbono, más conductoras que el cobre y más ligero que el aluminio.
Sin embargo, ha resultado realmente difícil construir materiales, como telas o películas que demuestran estas propiedades en escalas de centímetros o de metros. El desafío proviene de la dificultad de ensamblaje y tejer CNTs ya que son muy pequeñas, y su geometría es muy difícil de controlar.
«El estudio de la energía de fractura de los textiles CNT nos llevó a diseñar estas películas extremadamente duras,» dijo Yue Liang, ex estudiante de posgrado con el grupo de Investigación de Materiales Cinéticos y autor principal del documento, "Tough Nano-Architectured Conductive Textile Made by Empalme Capilar de Nanotubos de Carbono ", que aparece en Advanced Engineering Materials. A nuestro entender, este es el primer estudio de la energía de fractura de los tejidos CNT.
Comenzando con el catalizador depositado sobre un sustrato de óxido de silicio, los nanotubos de carbono verticalmente alineados se sintetizaron mediante deposición de vapor químico en forma de líneas paralelas de 5 μm de ancho, 10 μm de longitud y 20-60μm de altura.
"El patron de catalizador escalonado se inspira en el diseño de ladrillo y mortero, motivo comúnmente-visto en materiales naturales resistentes como hueso, nácar, esponja de mar de cristal y bambú", añadió Liang. "Buscamos maneras de grapar juntos los CNTs , nos hemos inspirado en el proceso que empalme desarrollado por antiguos egipcios hace 5.000 años para hacer textiles de lino." Hemos probado varios enfoques mecánicos incluyendo micro-laminación y la compresión mecánica simple para simultáneamente reorientar los nanotubos, entonces, finalmente, utilizamos las fuerzas capilares automotrices para engrapar juntos los CNTs."
"Esta obra combina síntesis cuidadosa y delicada experimentación y modelado", dijo Tawfick. "La electrónica flexible está sujeta a flexiones y el estiramiento repetido, que podría causar su falla mecánica. Este nuevo textile CNT, con simple encapsulación flexible en una matriz de elastómero, se puede. A su dureza extremadamente alta, representan un material atractivo, que puede substituir las películas de metal finas para realzar confiabilidad del dispositivo. "
Además de Liang y Tawfick, los autores incluyen a David Sias y Ping Ju Chen.
"La robustez estructural de película fina de metal tiene gran importancia para la operación confiable de la piel inteligente y electrónica flexible incluyendo los sensores biológicos y estructurales de vigilancia de la salud", explicó Sameh Tawfick, profesor asistente de ciencia mecánica e ingeniería en Illinois. "Las láminas de nanotubos de carbono alineadas son convenientes para una amplia gama de aplicaciones que abarca desde la micro a la macro escalas incluyendo sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS), electrodos supercondensadores, cables eléctricos, músculos artificiales y compuestos multifuncionales."
"A nuestro conocimiento, este es el primer estudio para aplicar los principios de la mecánica de fractura para el diseño y estudio de la Resistencia de la nano arquitectura de los textiles CNT". El marco teórico de la mecánica de la fractura se muestra muy dura para una variedad de materiales lineal y no lineal"
Los nanotubos de carbono, que han estado alrededor desde principios de los noventa, han sido aclamados como 'un material de maravilla' para numerosas aplicaciones de la nanotecnología y con razón. Estas pequeñas estructuras cilíndricas hechas de láminas de grafeno envueltas tienen diámetro de pocos nanómetros, unas 1000 veces más delgados que un cabello humano, sin embargo, un nanotubo de carbono simple es más fuerte que el acero y las fibras de carbono, más conductoras que el cobre y más ligero que el aluminio.
Sin embargo, ha resultado realmente difícil construir materiales, como telas o películas que demuestran estas propiedades en escalas de centímetros o de metros. El desafío proviene de la dificultad de ensamblaje y tejer CNTs ya que son muy pequeñas, y su geometría es muy difícil de controlar.
«El estudio de la energía de fractura de los textiles CNT nos llevó a diseñar estas películas extremadamente duras,» dijo Yue Liang, ex estudiante de posgrado con el grupo de Investigación de Materiales Cinéticos y autor principal del documento, "Tough Nano-Architectured Conductive Textile Made by Empalme Capilar de Nanotubos de Carbono ", que aparece en Advanced Engineering Materials. A nuestro entender, este es el primer estudio de la energía de fractura de los tejidos CNT.
Ejemplo de curva de esfuerzo-deformación resultante de pruebas mecánicas de nanotubos de carbono textiles. El gráfico inferior muestra la capacidad de los investigadores para ajustar el comportamiento mecánico, es decir, la fuerza (fuerza máxima de rotura) y el módulo (resistencia al estiramiento) mediante la variación de la arquitectura textil. Crédito: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Comenzando con el catalizador depositado sobre un sustrato de óxido de silicio, los nanotubos de carbono verticalmente alineados se sintetizaron mediante deposición de vapor químico en forma de líneas paralelas de 5 μm de ancho, 10 μm de longitud y 20-60μm de altura.
"El patron de catalizador escalonado se inspira en el diseño de ladrillo y mortero, motivo comúnmente-visto en materiales naturales resistentes como hueso, nácar, esponja de mar de cristal y bambú", añadió Liang. "Buscamos maneras de grapar juntos los CNTs , nos hemos inspirado en el proceso que empalme desarrollado por antiguos egipcios hace 5.000 años para hacer textiles de lino." Hemos probado varios enfoques mecánicos incluyendo micro-laminación y la compresión mecánica simple para simultáneamente reorientar los nanotubos, entonces, finalmente, utilizamos las fuerzas capilares automotrices para engrapar juntos los CNTs."
"Esta obra combina síntesis cuidadosa y delicada experimentación y modelado", dijo Tawfick. "La electrónica flexible está sujeta a flexiones y el estiramiento repetido, que podría causar su falla mecánica. Este nuevo textile CNT, con simple encapsulación flexible en una matriz de elastómero, se puede. A su dureza extremadamente alta, representan un material atractivo, que puede substituir las películas de metal finas para realzar confiabilidad del dispositivo. "
Además de Liang y Tawfick, los autores incluyen a David Sias y Ping Ju Chen.