Нити из углеродных нанотрубок, искусственные мышцы и прозрачные листы: передовые приложения

Углеродные нанотрубки (CNT) известны своим необычайным усилием, модулем, электрической и термической проводимостью и термической стабильностью через широкий температурный диапазон. Одиночная нанотрубка может демонстрировать растяжную прочность до 100 раз выше стали, делая их идеальными строительными блоками для высокопроизводительных материалов.

Для использования этих свойств исследователи разработали непрерывные чистые CNT нити и высокосодержащие CNT композитные нити. Техники такие как электроспиннинг многостенных CNT (MWCNT) усиленных полиакрилонитрил (PAN) волокон или CNT/бамбуковых целлюлозных нитей дают многофункциональные продукты с заметно улучшенными механическими, термическими и электрическими характеристиками. Одиночностенные CNT (SWCNT) волокна также могут быть фabрикованы из жидкокристаллических растворов, производя непрерывные чистые CNT волокна с превосходными свойствами.

Производство CNT нити

Непрерывные CNT волокна могут быть произведены в горизонтальном CVD реакторе. Шаг уплотнения водяным паром сжимает CNT «носок» в плотную нить 1–3 мм толщиной, результатом в высокопористую (≈ 99%) но механически надежную и электрически проводимую нить. Процесс позволяет точное контроль над плотностью намотки, позволяя инфильтрацию полимерами для формирования композитов или смешивания с другими нитями для адаптированных структурных и функциональных приложений.

Искусственные мышцы из CNT

Прутя CNT нить в бесшовные полые цилиндры и инфильтруя их объем-меняющим парафиновым воском, исследователи создали искусственные мышцы, способные к ультра-быстрым сокращениям. Нагрев воска — через электрический ток или краткий световой импульс — заставляет воск расширяться, нить раздуваться в объеме и длину сокращаться, производя движение за всего 25 мкс. Эти актуаторы могут поднимать нагрузки до 200× тяжелее естественной мышцы эквивалентного размера, хотя они остаются неподходящими для прямой биомедицинской имплантации в настоящее время.

Потенциальные приложения охватывают робототехнику, минимально-инвазивные хирургические катетеры, микро-моторы, микрофлюидные миксеры, настраиваемую оптику, микро-клапаны, прецизионные позиционеры и даже потребительские игрушки.

Прозрачные CNT листы

Масштабирование CNT в макро-размерные структуры без связующих веществ исторически было сложным. Недавние достижения включают вращение вертикально выровненных CNT лесов для формирования широких, длинных прозрачных листов. Результирующий самоподдерживающий аэрогель, после уплотнения, дает сильные, тонкие пленки, проводящие электричество, связывающие микроволны к пластикам и служащие гибкими электродами для OLED, поляризованных широкополосных источников излучения и других приложений.

Эти прорывы иллюстрируют универсальность CNT через структурные, функциональные и электронные домены.