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Composito grafene-polimero
Spargendo una piccola quantità di grafene, un foglio piatto a strato singolo di atomi di carbonio, attraverso i polimeri, i ricercatori hanno realizzato materiali resistenti e leggeri. I compositi conducono elettricità e possono resistere a temperature molto più elevate rispetto ai soli polimeri.
Piccolo ma duro: Le immagini di un microscopio elettronico a scansione mostrano fogli di grafene lunghi centinaia di nanometri che sono incorporati in un polimero per renderlo più duro, più rigido, più resistente al calore ed elettricamente conduttivo.
I polimeri possono essere infusi con nanotubi di carbonio per creare materiali con proprietà simili. Ma il grafene potrebbe essere molto più economico. È possibile acquistare [grafite] in sacchetti per dollari al chilo, mentre i nanotubi a parete singola costano centinaia di dollari al grammo, afferma Catherine Brinson , un professore di ingegneria meccanica presso la Northwestern University, che ha guidato il lavoro, che è stato pubblicato online in Nanotecnologia della natura .
Il grafene potrebbe anche sollevare meno problemi di tossicità rispetto ai nanotubi di carbonio. Un separato Nanotecnologia della natura studio ha scoperto che lunghi nanotubi di carbonio causano le stesse reazioni tossiche nei topi dell'amianto. La preoccupazione è che i nanotubi di carbonio possano imitare le fibre di amianto, che sono abbastanza sottili da penetrare nei polmoni e causare il cancro. Il grafene, d'altra parte, ha solo un nanometro di spessore, dice Lawrence Drzal , direttore del Composite Materials and Structures Center della Michigan State University. Sono relativamente grandi in altre due dimensioni. Non saranno in grado di attraversare le barriere emato-encefaliche o nelle cellule.
I compositi grafene-polimero sarebbero l'ideale per realizzare serbatoi di benzina leggeri e contenitori di plastica che mantengono il cibo fresco per settimane. Potrebbero anche essere usati per produrre parti di aerei e automobili più leggere e più efficienti dal punto di vista del carburante, nonché turbine eoliche più potenti, impianti medici e attrezzature sportive. Inoltre, sono buoni conduttori elettrici e potrebbero essere utilizzati per realizzare rivestimenti conduttivi trasparenti per celle solari e display.
Il progresso fa parte di un più ampio sforzo di ricerca per produrre polimeri incorporati nelle nanoparticelle. Le fibre di carbonio e di vetro sono state tradizionalmente utilizzate per rafforzare i polimeri: la fibra di vetro è un esempio comune. A differenza delle fibre, tuttavia, una quantità molto piccola di nanoparticelle, inferiore al 2% del volume del composito, è sufficiente per rendere il polimero più forte e resistente al calore. Poiché viene utilizzato meno riempitivo, il composito può mantenere l'elasticità o la trasparenza del polimero.
Le nanoparticelle di argilla e i nanotubi di carbonio sono forti contendenti per l'uso nei compositi polimerici. Toyota produce alcune parti del motore da compositi argilla-nylon, che sono più resistenti e possono sopportare temperature molto più elevate rispetto al nylon. I polimeri infusi di nanotubi di carbonio vengono utilizzati per realizzare mazze da baseball e mazze da golf e possono essere utilizzati in parti di automobili come maniglie e parafanghi, parti che sono più facili da verniciare elettrostaticamente se conducono elettricità. Ma l'alto costo di produzione dei nanotubi di carbonio ne ha limitato l'uso.
Il grafene potrebbe essere un'alternativa più economica. La svolta chiave necessaria per realizzare l'ibrido grafene-polimero è stata avere il giusto tipo di fogli di grafene. I ricercatori avevano bisogno di uno o due strati di grafene con alcuni gruppi idrossilici o atomi di ossigeno che penzolavano sulla superficie: questi aiutano il grafene a legarsi al polimero e a disperdersi in modo uniforme. I ricercatori della Princeton University, che sono coautori dell'articolo, hanno sviluppato un modo per isolare tali fogli di grafene dall'ossido di grafite espandendo rapidamente il materiale ad alte temperature.
Brinson e i suoi colleghi della Northwestern hanno quindi trovato un modo per distribuire uniformemente il grafene nel polimero. Disperdono il grafene in un solvente e dissolvono il polimero in un altro. Quindi mescolano i due fino a quando il grafene è uniformemente disperso nel polimero ed evaporano i solventi.
Per tutte le proprietà che abbiamo dimostrato, i fogli di grafene hanno prestazioni uguali o superiori ai nanotubi, afferma Brinson. Utilizzando lo stesso polimero, i ricercatori hanno realizzato due compositi, uno contenente l'1% in peso di nanotubi di carbonio e l'altro contenente la stessa quantità di grafene. L'aggiunta di grafene al polimero lo ha reso più rigido dell'80%, mentre i nanotubi di carbonio lo hanno reso un po' più rigido del 50%. Il composito di grafene poteva resistere a temperature superiori di 30 ºC rispetto al solo polimero, mentre i nanotubi di carbonio non aumentavano la stabilità della temperatura.
Il materiale Northwestern affronta un concorrente difficile. Basato sulla tecnologia sviluppata da Drzal della Michigan State University, una società di East Lansing, MI, chiamata Scienze XG sta realizzando un impianto pilota per la produzione di vari polimeri comuni contenenti piastrine di grafene. Le piastrine contengono pile di circa cinque strati di grafene, al contrario di un singolo foglio. Drzal, il capo scienziato dell'azienda, afferma che le pile non si accartocceranno o si arrotoleranno durante i metodi di lavorazione utilizzati per realizzare prodotti in plastica. È come quando hai una singola carta contro 10 fogli di carta... La risma è molto più rigida e robusta. Sono anche più economici da produrre, dice. Più si arriva al foglio singolo, più costoso è il processo.
Un uso promettente per i compositi di grafene sarà la realizzazione di serbatoi di carburante e imballaggi per alimenti. Le molecole di gas e liquidi possono permeare attraverso i polimeri semplici, afferma Rodney Ruoff dell'Università del Texas ad Austin, che è stato coinvolto nel lavoro. Ma i compositi di grafene possono formare una barriera impermeabile. Ciò significa che i rivestimenti del serbatoio del carburante manterrebbero i vapori e dissiperebbero l'elettricità statica. Potresti tenere i panini fuori dal frigorifero per sei mesi senza che l'ossigeno passi e li ossidi, suggerisce Ruoff.