Ricercatori spagnoli hanno dimostrato un processo di produzione scalabile per fibre di nanotubi di carbonio (CNT) con una conduttività elettrica paragonabile a quella del rame e dell’alluminio. Il risultato, pubblicato su Science , rappresenta una svolta per il futuro dell’elettrificazione nel settore aerospaziale, nei veicoli elettrici (EV), nei droni e nelle applicazioni correlate, che richiedono cablaggi elettrici leggeri e ad alta resistenza.
I nanotubi di carbonio (CNT) sono da tempo considerati i componenti ideali per i conduttori elettrici, grazie alla loro combinazione unica di bassa densità e proprietà elettriche, termiche e meccaniche.
Finora, tuttavia, non hanno offerto la conduttività elettrica necessaria per rappresentare un’alternativa concreta su scala industriale ai materiali tradizionali, in particolare al rame.
Progressi nelle fibre di nanotubi di carbonio ad alta conduttività
“È la prima volta che i ricercatori hanno ottenuto risultati con fibre di nanotubi di carbonio che dimostrano prestazioni sufficienti in questo senso da offrire una valida alternativa industriale ai materiali conduttivi tradizionali”, ha affermato il Dott. Juan José Vilatela, responsabile del progetto IMDEA Materials e uno degli autori della recente pubblicazione.
Nello specifico, i ricercatori sono riusciti a produrre fibre di nanotubi di carbonio intercalati in fase gassosa con una conduttività a temperatura ambiente pari a 24,5 MS/m (MegaSiemens per metro), quasi la metà di quella del rame, ma sei volte più leggere.
Considerato questo notevole vantaggio in termini di peso, questi risultati dimostrano la realizzazione di conduttori elettrici che combinano non solo un rapporto peso-prestazioni significativamente migliorato, ma anche livelli di conduttività assoluta conformi ai requisiti industriali.
Come funziona il processo di drogaggio con AlCl₄⁻
Uno degli elementi chiave della ricerca, condotta dall’Istituto di Materiali dell’IMDEA in collaborazione con l’Università Tecnica di Madrid (UPM) e i ricercatori dell’Università di Saragozza presso l’INMA (CSIC-Unizar), è stata l’introduzione del tetracloroalluminato (AlCl₄ ) per l’intercalazione nelle fibre di CNT.
AlCl₄ L’ agisce come un drogante che può essere introdotto nella matrice di fibre di nanotubi di carbonio senza alterarne la struttura. Mantenendo la struttura originale dei fasci di nanotubi di carbonio, il processo di drogaggio aumenta la conduttività preservandone al contempo le eccezionali proprietà meccaniche.
“Inoltre, l’AlCl₄⁻ fornisce un elevato effetto dopante senza aumentare eccessivamente il peso, rispetto ad altri dopanti che abbiamo studiato”, ha spiegato l’autrice principale e collega ricercatrice presso l’IMDEA Materials, Ana Inés de Isidro Gómez.
Nello specifico, i ricercatori hanno dimostrato che, drogando le fibre di CNT altamente allineate con AlCl₄ , sono stati in grado di ottenere un aumento di oltre 17 volte della conduttività elettrica delle fibre stesse.
Ciò ha comportato una conduttività specifica media superiore a quella del rame, con il valore massimo misurato superiore a quello dell’alluminio.
Potenziale impatto sulle reti di trasporto e di alimentazione elettrica
“Questo è particolarmente significativo per l’ elettrificazione dei trasporti , siano essi veicoli elettrici, droni o aeromobili, che richiedono un gran numero di conduttori con il minor peso possibile”, ha affermato il Dott. Vilatela. “È inoltre promettente per i cavi elettrici aerei, che spesso sono limitati dal proprio peso.”
Secondo gli autori dello studio, le fibre di nanotubi di carbonio drogati sarebbero cinque volte più resistenti dei cavi aerei convenzionali, pur pesando la metà.
La ricerca è stata condotta dal ricercatore di dottorato di IMDEA Materials Isidro Gomez; Vilatela, la Dott.ssa Anastasia Mikhalchan e il Prof. Javier LLorca, Direttore scientifico dei materiali IMDEA e Professore UPM, in collaborazione con l’ex ricercatore dei materiali IMDEA Dott. Valentin Vassilev Galindo (UPNA).
L’articolo è il risultato di una collaborazione con il gruppo Nanoscopia su Materiali a Bassa Dimensionalità (NLDM) presso l’Istituto di Nanoscienze e Materiali dell’Aragona (INMA), un centro congiunto del Consiglio Nazionale delle Ricerche spagnolo (CSIC) e dell’Università di Saragozza (UNIZAR), diretto dal Dott. Raúl Arenal (ricercatore ARAID).
Questo lavoro, svolto dal Dott. Mario Peláez Fernández e dalla Dott.ssa Arenal, è stato condotto presso il Laboratorio di Microscopia Avanzata (LMA), uno dei nodi dell’Infrastruttura Scientifica e Tecnica Singolare ELECMI (ICTS ELECMI).
“Abbiamo dimostrato efficacemente che l’intercalazione in fase gassosa può aumentare la conduttività delle fibre di nanotubi di carbonio commerciali in modo sostanziale rispetto al loro limite precedente, offrendo sia una conduttività elettrica da record, sia la prospettiva di ulteriori incrementi”, ha concluso de Isidro Gómez.
La trasposizione della conduttività dei singoli nanotubi di carbonio in conduttori macroscopici pratici rimane una sfida. Riportiamo fibre altamente allineate di nanotubi di carbonio a doppia parete intercalati con catene di anioni tetracloroalluminato (AlCl 4 − ) nei canali intertubo. L’AlCl 4 − L’intercalante agisce come un drogante non covalente, accettando 0,65 elettroni per anione, principalmente dallo strato esterno del nanotubo. In combinazione con una frazione volumetrica di intercalante del 17%, produce un aumento della conduttività a temperatura ambiente fino a valori elevati, pari a 24,5 megaSiemens per metro, ovvero il 41% di quella del rame. I valori di conduttività specifica raggiungono i 17.345 Siemens-metri quadrati per chilogrammo, un valore superiore a quello dei metalli. Queste fibre sono cinque volte più resistenti e pesano la metà dei cavi aerei convenzionali, pur rimanendo stabili in condizioni asciutte e conservando l’80% della loro conduttività, protette dall’umidità da una guaina polimerica.
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