Spanska forskare har visat på en skalbar tillverkningsprocess för fibrer av kolnanorör (CNT) med en elektrisk ledningsförmåga som kan jämföras med koppar och aluminium.
Resultatet, som publicerats i Science, innebär ett genombrott för framtidens elektrifiering inom rymdindustrin, elfordon, drönare och liknande tillämpningar, där det krävs lätta och höghållfasta elektriska ledningar.
CNT har länge ansetts vara idealiska byggstenar för elektriska ledare tack vare sin unika kombination av låg densitet och elektriska, termiska och mekaniska egenskaper.
Hittills har de dock inte erbjudit den elektriska ledningsförmåga som krävs för att utgöra ett realistiskt alternativ i industriell skala till traditionella material, i synnerhet koppar.
Framsteg inom CNT-fibrer med hög ledningsförmåga
”Det här är första gången som forskare har uppnått resultat med CNT-fibrer som uppvisar tillräcklig prestanda i detta avseende för att utgöra ett realistiskt industriellt alternativ till traditionella ledande material”, säger IMDEA Materials huvudforskare, dr Juan José Vilatela, en av författarna bakom den senaste publikationen.
Forskarna lyckades specifikt producera gasfasinterkalerade CNT-fibrer med en ledningsförmåga vid rumstemperatur på upp till 24,5 MS/m (megasiemens per meter), vilket är nästan hälften av kopparns, men sex gånger lättare.
Med tanke på denna betydande viktfördel visar dessa resultat på elektriska ledare som inte bara kombinerar ett avsevärt förbättrat förhållande mellan vikt och prestanda, utan också absoluta ledningsförmågor som uppfyller industriella krav.
Hur AlCl₄⁻-dopningsprocessen fungerar
Ett av nyckelelementen i forskningen, som utfördes av IMDEA Materials Institute i samarbete med Tekniska universitetet i Madrid (UPM) och forskare från universitetet i Zaragoza vid INMA (CSIC-Unizar), var införandet av tetrakloraluminat (AlCl4) för att interkalera i CNT-fibrerna.
AlCl4 fungerar som en dopant som kan införas i CNT-fibermatrisen utan att störa den. Genom att behålla den ursprungliga strukturen hos CNT-buntarna ökar dopningsprocessen konduktiviteten samtidigt som de exceptionella mekaniska egenskaperna bevaras.
”Dessutom ger AlCl₄⁻ en stor dopningseffekt utan att öka vikten överdrivet, jämfört med andra dopanter vi har studerat”, förklarade huvudförfattaren och IMDEA Materials-forskaren Ana Inés de Isidro Gómez.
Forskarna visade specifikt att de, genom att dopa de högt inriktade CNT-fibrerna med AlCl4, kunde uppnå en mer än 17-faldig ökning av den elektriska ledningsförmågan hos bulkfibrerna.
Detta resulterade i en genomsnittlig specifik ledningsförmåga som översteg den hos koppar, med det högsta uppmätta värdet över det hos aluminium.
Potentiell inverkan på transport och elnät
”Detta är särskilt betydelsefullt för elektrifieringen av transportsektorn, vare sig det gäller elbilar, drönare eller flygplan, som kräver stora mängder ledare med lägsta möjliga vikt”, säger Dr. Vilatela. ”Det är också lovande för luftledningar, som ofta begränsas av sin egen vikt.”
Enligt författarna bakom studien skulle de dopade CNT-fibrerna vara fem gånger starkare än konventionella luftledningar, samtidigt som de väger hälften så mycket.
Forskningen utfördes av IMDEA Materials doktorand Isidro Gómez, Dr. Vilatela, Dr. Anastasiia Mikhalchan och Prof. Javier LLorca, vetenskaplig direktör vid IMDEA Materials och professor vid UPM, i samarbete med den tidigare IMDEA Materials-forskaren Dr. Valentín Vassilev Galindo (UPNA).
Artikeln är resultatet av ett samarbete med gruppen Nanoscopy on Low Dimensional Materials (NLDM) vid Institutet för nanovetenskap och material i Aragonien (INMA), ett gemensamt centrum för det spanska nationella forskningsrådet (CSIC) och universitetet i Zaragoza (UNIZAR), under ledning av Dr. Raúl Arenal (ARAID-forskare).
Detta arbete, som utfördes av Dr. Mario Peláez Fernández och Dr. Arenal, genomfördes vid Advanced Microscopy Laboratory (LMA), en av noderna i den unika vetenskapliga och tekniska infrastrukturen ELECMI (ICTS ELECMI).
”Vi har effektivt visat att interkalering i gasfas kan öka ledningsförmågan hos kommersiella CNT-fibrer betydligt över deras tidigare tak, vilket ger både rekordhög elektrisk ledningsförmåga och utsikter till ytterligare ökningar”, avslutade de Isidro Gómez.
Publiceringsuppgifter
A. I. de Isidro-Gómez et al, Intercalated carbon nanotube fibers with high specific electrical conductivity, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aeb0673
