Los cables de nanotubos alcanzan un hito: tan buenos como el cobre

Por primera vez, los investigadores han fabricado cables eléctricos de nanotubos de carbono que pueden transportar tanta corriente como los cables de cobre. Estos cables de nanotubos podrían ayudar a llevar más energía renovable más lejos en la red eléctrica, proporcionar cableado liviano para vehículos y aviones más eficientes en combustible y hacer conexiones en chips de computadora de bajo consumo. Investigadores de la Universidad de Rice ahora han demostrado cables de nanotubos de carbono en un sistema práctico y están diseñando una línea de fabricación para la producción comercial.

La nanotecnología brilla: El investigador de la Universidad de Rice, Yao Zhao, demuestra una configuración que utiliza un cable de nanotubos de carbono para llevar corriente eléctrica estándar a una bombilla fluorescente.

Hacer que el cableado de nanotubos de carbono liviano y eficiente sea tan conductor como el cobre ha sido un objetivo de los nanotecnólogos desde la década de 1980. Los nanotubos de carbono individuales (tubos huecos a nanoescala de carbono puro) son mecánicamente fuertes y un orden de magnitud más conductores que el cobre. Pero a menos que los nanotubos de carbono se junten así, las estructuras más grandes hechas de ellos no tienen las propiedades superlativas de los tubos individuales.



Años de retoques en el laboratorio para encontrar las técnicas e ingredientes de ensamblaje adecuados han permitido a los investigadores dirigidos por profesores de ciencia de materiales de Rice. Pulickel Ajayan y Enrique Barrera para finalmente fabricar cables de nanotubos de carbono tan buenos como cables de cobre. Los nanocables del grupo cuentan con una combinación de propiedades sin precedentes hasta ahora. Son mecánicamente fuertes, pero lo suficientemente flexibles como para ser anudados o entretejidos en largos trozos de alambre. Llevan alrededor de 100.000 amperios de corriente por centímetro cuadrado de material, aproximadamente la misma cantidad que los cables de cobre, pero pesan una sexta parte. Superan al cobre en una métrica llamada densidad de corriente, lo que significa que deberían poder transportar más electricidad a distancias más largas sin perder energía para calentar, un problema con la red eléctrica actual y con los chips de computadora. Y como están hechos de carbono, no de metal, no se corroen.

Los nanotubos de carbono varían en conductividad, longitud y número de capas. El grupo de Rice descubrió que lo que funcionaba mejor eran nanotubos relativamente largos de doble pared proporcionados por colaboradores de la Universidad de Tsinghua en Beijing. Los electrones se mueven a través de nanotubos individuales muy rápidamente, pero la corriente se ralentiza cuando los electrones deben saltar de nanotubos a nanotubos. Cuanto más largos sean los nanotubos, menos saltos tendrán que dar los electrones en una determinada longitud de cable.

El proceso de fabricación de nanocables comienza con un trozo de nanotubos de doble pared que han sido tratados para eliminar las impurezas. Los investigadores agregan ácido sulfúrico a los nanotubos para que puedan esparcirlos en una película delgada. Luego agarran el borde de la película con unas pinzas para comenzar a hacer una fibra y tiran con una fuerza constante para producir un cable largo, similar a cómo se hace el hilo de lana tirando y retorciendo el vellón. Enjuagan el ácido del cable y lo exponen al vapor de yodo a altas temperaturas. El yodo penetra en los nanotubos dentro del cable y aumenta la conductividad del cable sin comprometer sus propiedades mecánicas. Y el grupo de Rice ha demostrado que la conductividad no se ve afectada cuando los cables se anudan para hacer mayores longitudes.

Para demostrar que los cables fabricados de esta manera pueden transmitir un voltaje de línea estándar, usaron uno para conectar una bombilla fluorescente a un enchufe de pared y dejaron la luz encendida durante días. Este trabajo se describe en línea en la revista. Informes científicos de la naturaleza .

Nano cable: Este cable, hecho de nanotubos de carbono, puede transportar tanta corriente eléctrica como un alambre de cobre.

Es un testimonio de cuán maduros se están volviendo estos materiales que son capaces de medir conductividades que ahora superan a los metales comunes, dice Michael extraño , profesor de ingeniería química en el MIT que no participó en el trabajo. Superar a los metales, dice, representa un hito.

Esto es muy emocionante, especialmente considerando la enorme importancia de disminuir el peso de los cables [eléctricos] en aviones y automóviles para mejorar la eficiencia del combustible, dice Ray Baughman , director del Instituto NanoTech y profesor de química en la Universidad de Texas en Dallas. Baughman no participó en el trabajo.

El gigante aeroespacial Boeing se encuentra entre las empresas que apoyan al grupo Rice. Otros colaboradores y partidarios incluyen a Chevron, el Departamento de Energía de EE. UU. Y Materiales NanoRidge de Houston.

El objetivo es hacer un producto diseñado, dice Rice's Barrera. Creemos que lo que hemos podido hacer es escalable a métodos de producción continuos. El grupo ha trazado cómo se haría esto en una línea de fabricación y actualmente está explorando la comercialización con varias empresas, aunque no han revelado ningún acuerdo.

Aunque los cables ahora son lo suficientemente buenos como para comenzar a pensar seriamente en las aplicaciones comerciales, Ajayan quiere mejorarlos aún más. Ajayan señala que, hasta ahora, solo han probado la capacidad de los cables de doble pared para transportar corriente alterna. La electricidad se transmite a largas distancias en forma de corriente alterna. Un objetivo aparte, dice Ajayan, es hacer que los cables sean aún más conductores que el cobre. Una forma de hacer esto es hacer cables viables a partir de nanotubos de carbono de pared simple, que son inherentemente más conductores, pero que han sido difíciles de convertir en fibras.

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