Согласно новому исследованию, в пересчете на фунт на фунт волокна на основе углеродных нанотрубок, изобретенные в Университете Райса, обладают большей способностью проводить электрический ток, чем медные кабели той же массы.
В то время как отдельные нанотрубки способны передавать почти в 1000 раз больше тока, чем медь, те же самые трубки, объединенные в волокно с использованием других технологий, выходят из строя задолго до того, как достигают этой мощности.
Но серия испытаний в Райсе показала, что волокно из углеродных нанотрубок, полученное мокрым прядением, по-прежнему ловко превосходит медь, пропуская в четыре раза больший ток, чем медный провод той же массы.
Снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают типичные волокна углеродных нанотрубок, созданные в Университете Райса и разделенные на две части сильноточным джоулевым нагревом. Исследователи Райса разрывали волокна в различных условиях - на воздухе, в аргоне, азоте и в вакууме - чтобы увидеть, насколько хорошо они справляются с высоким током. Волокна оказались в целом лучше передающими электрический ток, чем медные кабели той же массы. (Источник: Коно Лаб/Университет Райса)
Это, по словам исследователей, делает кабели на основе нанотрубок идеальной платформой для легкой передачи энергии в системах, где вес является важным фактором, например, в аэрокосмических приложениях.
Анализ, проведенный профессорами Rice Дзюнъитиро Коно и Маттео Паскуали, появился в сети на этой неделе в журнале Advanced Functional Materials. Всего год назад журнал Science сообщил, что лаборатория Паскуали в сотрудничестве с учеными голландской фирмы Teijin Aramid создала очень прочное проводящее волокно из углеродных нанотрубок.
Современные кабели электропередач, изготовленные из меди или алюминия, тяжелые, потому что их низкая прочность на растяжение требует армирования стальным сердечником.
Ученые, работающие с наноразмерными материалами, уже давно думают, что есть лучший способ перемещать электричество отсюда туда. Некоторые типы углеродных нанотрубок могут проводить гораздо больше электричества, чем медь. По словам Паскуали, идеальный кабель должен быть сделан из длинных металлических «кресельных» нанотрубок, которые передают ток на большие расстояния с незначительными потерями, но такой кабель невозможен, потому что пока невозможно массовое производство чистых кресел.
Тем временем лаборатория Паскуали разработала метод скручивания волокна из смеси типов нанотрубок, который по-прежнему превосходит медь. Кабель, разработанный Паскуали и Тейджином Арамидом, является прочным и гибким, несмотря на то, что его ширина составляет 20 микрон, что тоньше человеческого волоса.
Паскуали обратился к Коно и его коллегам, в том числе к ведущему автору Сюану Вану, исследователю с докторской степенью в Rice, чтобы количественно оценить возможности волокна.
Pasquali сказал, что существует разрыв между инженерами-электриками, которые изучают токопроводящую способность проводников, и учеными-материаловедами, работающими над углеродными нанотрубками. «Это вызвало некоторую путаницу в литературе по поводу правильных сравнений», - сказал он. «Джун и Сюань действительно поняли, как правильно проводить эти измерения и сравнивать яблоки с яблоками».
Исследователи проанализировали «пропускную способность по току» (CCC) волокна с помощью специальной установки, которая позволила им протестировать его вместе с металлическими кабелями того же диаметра. Кабели были протестированы в подвешенном состоянии на открытом воздухе, в вакууме и в среде азота или аргона.
Электрические кабели нагреваются из-за сопротивления. Когда текущая нагрузка превышает безопасную мощность кабеля, он перегревается и ломается. Исследователи обнаружили, что волокна нанотрубок, подвергнутые воздействию азота, работают лучше всего, за ними следуют аргон и открытый воздух, все из которых способны охлаждаться за счет конвекции. Те же волокна из нанотрубок в вакууме могли охлаждаться только излучением и имели наименьшую ССС.
«Результатом является то, что эти волокна имеют самый высокий CCC из когда-либо зарегистрированных среди всех волокон на основе углерода», - сказал Коно. «Медь по-прежнему имеет на порядок лучшее удельное сопротивление, но у нас есть преимущество в том, что углеродное волокно легкое. Так что, если вы разделите ССС на массу, мы выиграем».
Коно планирует продолжить исследование и изучение многофункциональных аспектов волокна, включая применение гибких оптоэлектронных устройств.
Испытательная установка, разработанная лабораторией Коно в Райсе, позволила сравнить нановолоконные и медные кабели эквивалентной массы. Изображение предоставлено лабораторией Коно
Pasquali предположил, что нитевидные волокна достаточно легкие, чтобы поставлять энергию для летательных аппаратов. «Предположим, вы хотите привести в действие беспилотный летательный аппарат с земли», - размышлял он. «Вы можете сделать его как воздушного змея, используя энергию наших волокон. Хотел бы я, чтобы Бен Франклин увидел это!"
Соавторы статьи - выпускник Rice Натнаэль Бехабту и аспиранты Колин Янг и Дмитрий Центалович. Коно - профессор электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии. Паскуали - профессор химической и биомолекулярной инженерии, химии, материаловедения и наноинженерии. Центалович, Коно и Паскуали являются членами Института нанотехнологий и науки Ричарда Э. Смолли.
Исследование было поддержано Министерством энергетики, Национальным научным фондом, Фондом Роберта А. Уэлча, Teijin Aramid BV, Управлением научных исследований ВВС и стипендией Министерства обороны США по научным и инженерным наукам..