Fibres de nanotubes de carbone ultra-résistantes

Les nanotubes de carbone filés pour former de longues fibres filiformes pourraient surpasser même les matériaux pare-balles les plus résistants du marché, mais transformer les nanotubes en de tels matériaux s'est avéré être un défi. Maintenant, les chercheurs disent qu'ils ont amélioré la méthode de fabrication des fibres : ils peuvent les tirer d'un four chaud plus rapidement, mieux aligner les nanotubes et améliorer considérablement leur résistance. Alors que les fibres de nanotubes de carbone ne peuvent encore être fabriquées qu'en petits lots - et uniquement en courtes longueurs, selon les experts - les fibres sont très prometteuses pour les matériaux ultrarésistants et résilients, avec des applications possibles allant des gilets pare-balles au forage pétrolier.

Commande nano : Les chercheurs ont amélioré les techniques de filage des fibres de nanotubes de carbone : ils alignent les nanotubes dans la fibre, créant des fibres aussi résistantes, voire plus résistantes, que des matériaux tels que le Kevlar qui sont utilisés dans les gilets pare-balles. De plus, les fibres de nanotubes, contrairement aux cordes ordinaires, peuvent être nouées sans trop nuire à leur résistance.

Les nanotubes de carbone sont des molécules de carbone semblables à des tuyaux dont les parois n'ont qu'un atome d'épaisseur. Ils sont extrêmement solides, conducteurs d'électricité et difficiles à fabriquer de manière fiable. De nombreux groupes de recherche ont travaillé dur pour créer des nanotubes de carbone plus longs et les construire en brins plus longs qui pourraient être utilisés pour des tissus résistants et même des lignes électriques efficaces. (Voir 10 Technologies émergentes.)

Alan Windle, professeur de science des matériaux à l'Université de Cambridge, en Angleterre, a fabriqué et testé les nouvelles fibres de nanotubes avec des chercheurs du Natick Soldier Research Development Center, dans le Massachusetts. Windle et ses collègues ont tiré sur les fibres de nanotubes, constatant que les plus faibles se cassaient à des contraintes d'environ un gigapascal, les rendant comparables à l'acier, gramme pour gramme.

Les fibres de nanotubes de carbone les plus performantes se sont cassées à environ six gigapascals, battant les forces signalées par les fabricants pour les matériaux utilisés dans les gilets pare-balles, tels que le Kevlar. Ces fibres de nanotubes correspondaient aux résistances les plus élevées signalées pour quelques-unes des fibres les plus résistantes disponibles dans le commerce, le Zylon et le Dyneema, également utilisées dans les gilets pare-balles. Une fibre de nanotubes isolée et extrêmement résistante était hors des charts, atteignant neuf gigapascals de contrainte – bien au-delà de tout autre matériau signalé – avant de se briser. Des travaux antérieurs avec des nanotubes de carbone ont produit des fibres qui résistent au plus à trois gigapascals.

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• Découvrez comment les nanotubes de carbone sont filés en fibre ultrarésistante.

Nous sommes satisfaits des résultats, mais je ne dirais pas que nous sommes surpris, dit Windle. On sait que les propriétés des nanotubes individuels sont encore cinq fois meilleures. Il ajoute : Cela me rend optimiste. Il y a encore une énorme marge d'amélioration.

Pour fabriquer les fibres, les chercheurs ont utilisé une méthode mise au point par le groupe de Windle en 2004 dans laquelle un four vaporise du carbone et souffle un flux de nanotubes. Lorsque ces nanotubes de carbone sont capturés dans les airs et tournés autour d'une bobine, ils forment une fibre composée de milliards de molécules alignées le long du nanotube.

En ajustant la température du four et en ajustant la vitesse à laquelle ils enroulent la fibre, les chercheurs ont optimisé le processus, rendant les fibres 0,3 fois plus résistantes que celles que d'autres groupes ont fabriquées. Les chercheurs rapportent que l'amélioration est en grande partie due au fait qu'avec un enroulement plus rapide, les nanotubes s'alignent mieux et s'assemblent plus étroitement. Ils ont également ajouté une étape pour rendre les fibres plus denses. L'équipe a fait passer les fibres à travers du gaz acétone, qui s'est condensé sur les fibres, formant un liquide. Il y a un effet de tension superficielle qui rapproche les nanotubes, ce qui augmente leur résistance, dit Windle.

L'application la plus directe concerne les gilets pare-balles, dit-il. Il semble prometteur par rapport aux fibres disponibles dans le commerce. Mais si cela fonctionnera ou non pour les gilets pare-balles, personne ne saura vraiment jusqu'à ce que nous fabriquions suffisamment de fibres pour fabriquer un tissu et tirer une balle dessus, dit Windle. Une récente étude de modélisation informatique suggère que les balles rebondiraient sur un tissu de nanotubes de carbone de seulement six couches d'épaisseur.

Edwin Thomas, professeur de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, a déclaré que si les tests montraient qu'un tel tissu repoussait vraiment les balles, vous aurez un coup de fouet, et il sera bientôt en gilet pare-balles. Mais les matériaux ne résistent souvent pas bien lorsqu'ils sont frappés par des forces soudaines par opposition à un tir plus lent, ajoute-t-il. Personne ne connaît les nanotubes de carbone à des taux de déformation élevés, car personne n'a vérifié.

Une autre application pourrait être le forage pétrolier. Étant donné que les fibres de nanotubes de carbone sont non seulement solides, mais résistent également à la chaleur et à la corrosion, elles pourraient être utilisées dans des forets ou des tuyaux pour faire face à ces environnements extrêmes, explique Thomas.

Thomas prévient, cependant, que Windle et ses collègues ont obtenu leurs meilleurs résultats pour des fibres d'environ un millimètre de long, apparemment parce que plus le brin est long, plus il est susceptible de contenir de petits morceaux de carbone et d'autres défauts qui l'affaiblissent. Ajuster le traitement - la vitesse d'enroulement et le traitement à l'acétone - ne changera pas les particules carbonées, dit Thomas. Ils doivent retourner dans la synthèse chimique pour résoudre ce problème.

Pour que l'armée s'y intéresse, elle voudrait en avoir des kilomètres, dit-il. Néanmoins, les nouveaux résultats lui donnent beaucoup d'espoir.

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