Les câbles à nanotubes franchissent une étape : aussi bons que le cuivre

Pour la première fois, des chercheurs ont fabriqué des câbles électriques en nanotubes de carbone pouvant transporter autant de courant que des fils de cuivre. Ces câbles à nanotubes pourraient aider à transporter plus d'énergie renouvelable plus loin dans le réseau électrique, fournir un câblage léger pour des véhicules et des avions plus économes en carburant et établir des connexions dans des puces informatiques à faible consommation. Des chercheurs de l'Université Rice ont maintenant démontré des câbles à nanotubes de carbone dans un système pratique et conçoivent une ligne de fabrication pour la production commerciale.

La nanotechnologie brille : Le chercheur de l'Université Rice, Yao Zhao, démontre une configuration qui utilise un câble en nanotubes de carbone pour transporter le courant électrique standard vers une ampoule fluorescente.

Rendre le câblage des nanotubes de carbone léger et efficace aussi conducteur que le cuivre est un objectif des nanotechnologues depuis les années 1980. Les nanotubes de carbone individuels (tubes creux à l'échelle nanométrique de carbone pur) sont mécaniquement résistants et d'un ordre de grandeur plus conducteurs que le cuivre. Mais à moins que les nanotubes de carbone ne soient assemblés de la sorte, les structures plus grandes qui en sont faites n'ont pas les propriétés superlatives des tubes individuels.

Des années de bricolage en laboratoire pour trouver les bonnes techniques d'assemblage et les bons ingrédients ont permis à des chercheurs dirigés par des professeurs de science des matériaux de Rice Pulickel Ajayan et Enrique Barrera pour enfin fabriquer des câbles en nanotubes de carbone aussi bons que des câbles en cuivre. Les nano-câbles du groupe présentent une combinaison de propriétés sans précédent jusqu'à présent. Ils sont mécaniquement solides, mais suffisamment flexibles pour être noués ou tissés ensemble en de longues longueurs de fil. Ils transportent environ 100 000 ampères de courant par centimètre carré de matériau, environ la même quantité que les fils de cuivre, mais pèsent un sixième de moins. Ils surpassent le cuivre sur une métrique appelée densité de courant, ce qui signifie qu'ils devraient être capables de transporter plus d'électricité sur de plus longues distances sans perdre d'énergie en chaleur - un problème avec le réseau électrique actuel et avec les puces informatiques. Et parce qu'ils sont faits de carbone, pas de métal, ils ne se corrodent pas.

Les nanotubes de carbone varient en termes de conductivité, de longueur et de nombre de couches. Le groupe Rice a découvert que ce qui fonctionnait le mieux étaient des nanotubes à double paroi relativement longs fournis par des collaborateurs de l'Université Tsinghua à Pékin. Les électrons se déplacent très rapidement à travers les nanotubes individuels, mais le courant ralentit lorsque les électrons doivent passer de nanotube à nanotube. Plus les nanotubes sont longs, moins les électrons doivent faire de tels sauts dans une longueur de fil donnée.

Le processus de fabrication des nano-câbles commence par un morceau de nanotubes à double paroi qui ont été traités pour éliminer les impuretés. Les chercheurs ajoutent de l'acide sulfurique aux nanotubes afin qu'ils puissent les répartir en un film mince. Ils saisissent ensuite le bord du film avec une pince à épiler pour commencer à fabriquer une fibre et tirent avec une force constante pour produire un long câble, similaire à la façon dont le fil de laine est fabriqué en tirant et en tordant une toison. Ils rincent l'acide du câble et l'exposent à des vapeurs d'iode à haute température. L'iode pénètre dans les nanotubes à l'intérieur du câble et augmente la conductivité du câble sans compromettre ses propriétés mécaniques. Et le groupe Rice a montré que la conductivité n'est pas affectée lorsque les câbles sont noués ensemble pour faire de plus grandes longueurs.

Pour démontrer que les câbles fabriqués de cette manière peuvent transmettre une tension de ligne standard, ils en ont utilisé un pour connecter une ampoule fluorescente à une prise murale et ont laissé la lumière allumée pendant des jours. Ce travail est décrit en ligne dans la revue Rapports scientifiques sur la nature .

Câble nano : Ce câble, composé de nanotubes de carbone, peut véhiculer autant de courant électrique qu'un fil de cuivre.

C'est un témoignage de la maturité de ces matériaux qu'ils sont capables de mesurer des conductivités qui dépassent maintenant les métaux communs, dit Michael étrange , un professeur de génie chimique au MIT qui n'était pas impliqué dans le travail. Dépasser les métaux, dit-il, représente une étape importante.

C'est très excitant, surtout compte tenu de l'énorme importance de réduire le poids des câbles [électriques] dans les avions et les voitures pour améliorer l'efficacité énergétique, dit Ray Baughman , directeur du NanoTech Institute et professeur de chimie à l'Université du Texas à Dallas. Baughman n'a pas été impliqué dans le travail.

Le géant de l'aérospatiale Boeing fait partie des entreprises soutenant le groupe Rice. Parmi les autres collaborateurs et partisans, citons Chevron, le département américain de l'Énergie et Matériaux NanoRidge de Houston.

L'objectif est de fabriquer un produit d'ingénierie, explique Rice's Barrera. Nous pensons que ce que nous avons pu faire est évolutif vers des méthodes de production continues. Le groupe a défini comment cela se ferait sur une chaîne de fabrication et étudie actuellement la commercialisation avec diverses sociétés, bien qu'ils n'aient divulgué aucun accord.

Bien que les câbles soient maintenant suffisamment performants pour commencer à réfléchir sérieusement aux applications commerciales, Ajayan veut les rendre encore meilleurs. Ajayan note que, jusqu'à présent, ils n'ont testé que la capacité des câbles à double paroi à transporter du courant alternatif. L'électricité est transportée sur de longues distances sous forme de courant alternatif. Un autre objectif, dit Ajayan, est de rendre les câbles encore plus conducteurs que le cuivre. Une façon d'y parvenir est de fabriquer des câbles utilisables à partir de nanotubes de carbone à paroi unique, qui sont intrinsèquement plus conducteurs, mais ont été difficiles à filer en fibres.

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